Uudet havainnot paljastavat pickup-ionit lähellä Maata

Äskettäinen tutkimus, jota johti tohtori Michael Starkey Southwest Research Institute -laitokselta, raportoi NASA:n Magnetospheric Multiscale (MMS) -lennon ensimmäiset suorat havainnot pickup-ioneista (PUI) ja niihin liittyvästä aaltotoiminnasta aurinkotuulessa lähellä Maata. Nämä löydökset viittaavat siihen, että aiemmin vähemmälle huomiolle jäänyt ioni-populaatio saattaa vaikuttaa aurinkotuulen lämmitykseen ja siten myös avaruussään malleihin.

Tämä kuvitus esittää Maan magnetosfäärin vuorovaikutusta aurinkotuulen kanssa. Magnetosfääri suojaa Maata haitalliselta aurinko- ja kosmiselta säteilyltä.

MMS-missio, joka laukaistiin vuonna 2015, operoi neljän koordinoidun avaruusaluksen muodostamalla tutkimusryhmällä, joka mittaa sähkön ja magneettikentän sekä plasman hiukkasjakaumia Maan magnetosfäärin alueella ja sen ympärillä. Yhdistämällä korkean resoluution magneettikenttädataa hiukkasmittauksiin ja teoreettisiin epävakausanalyysiin tutkimusryhmä tunnisti plasmaaallot, jotka ovat yhteneväisiä PUIt:en aiheuttaman kasvun kanssa.

Miten pickup-ionit muodostuvat ja miksi ne ovat tärkeitä

Muodostuminen ja nopeusjäljet

Pickup-ionit syntyvät, kun heliosfäärissä ajelehtivat neutraalit hiukkaset ionisoituvat—auringon ultraviolettisäteilyn, varausten vaihdon tai kollisioiden seurauksena—ja tämän jälkeen ne napataan mukaan aurinkotuulen virtaukseen. Ionisoituina nämä hiukkaset kiihtyvät vallitsevien sähkön ja magneettikenttien vaikutuksesta ja muodostavat erottuvia nopeustilajakaumia, jotka eroavat lämpöisestä aurinkotuulen protoni- ja elektroni-populaatiosta.

MMS-havainnoissa pickup-ionit ilmensivät ominaislaatuista ei-lämpöistä nopeusjakaumaa, eikä samalla havaittu merkittäviä muita energisiä ioni- tai elektronipopulaatioita. MMS:n rekisteröimät magneettikentän vaihtelut vastasivat teoreettisia ennusteita aaltokasvusta, jota tällaiset ei-lämpöiset ionit voivat ajuttaa, ja tämä osoittaa suoran PUI–aaltokytkennän lähellä Maan aurinkotuulta.

Tohtori Starkey kommentoi seuraavasti: "Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että pickup-ionit voivat todellakin synnyttää aaltoja aurinkotuulessa lähellä Maata ja kannustavat laajempia tilastollisia tutkimuksia näistä prosesseista. On mahdollista, että PUIt vaikuttavat enemmän aurinkotuulen lämmitykseen ja thermalisaatioon lähellä Maata kuin aiemmin oletettiin, mikä vaikuttaisi laajasti aurinkotuulen malleihin heliosfäärissä."

Mallinnus, rajoitteet ja heliosfäärin seuraukset

Tutkijat mallinsivat erillisiä ioni-populaatioita (aurinkotuulen ydin, helium-PUI:t, vety-PUI:t) selvittääkseen, mitkä komponentit voisivat ajaa havaittua aaltotoimintaa. Mallinnus viittaa siihen, että helium- ja/tai vety-PUI:t ovat todennäköisiä lähteitä, mutta instrumenttien herkkyys ja lajien erottelun rajat estivät yksiselitteisen lajimäärityksen tässä tapahtumassa.

Pitemmällä etäisyydellä Auringosta PUIt:n suhteellinen lukumäärä tiheys kasvaa, ja niiden rooli aaltojen synnyssä, plasman lämmityksessä ja thermalisaatiossa korostuu. Ulommassa heliosfäärissä PUIt vaikuttavat merkittävästi aurinkotuulen dynaamiseen paineeseen ja prosesseihin terminaalishokissa sekä heliosheathissa. Jos PUIt ovat yhtä vaikuttavia myös lähellä Maata, kuten nämä MMS-havainnot viittaavat, nykyisiä aurinkotuulen kehitysmalleja ja avaruussään ennusteita saatetaan joutua päivittämään huomioimaan PUI:den ajamat aalto-hiukkas -vuorovaikutukset.

Missio ja instrumenttien konteksti: MMS koostuu neljästä tetraedrisesti järjestetystä avaruusaluksesta, jotka kantavat korkea-aikaresoluutioisia magnetometreja ja hiukkasinstrumentteja tarkoituksena ratkaista pienimuotoisia uudelleenkytkentä- ja plasmaprosesseja. Vaikka laitteisto on optimoitu magnetosfäärin tutkimukseen, niiden herkkyys on mahdollistanut tämän uuden PUI-ajettujen aaltojen havaitsemisen upstream-aurinkotuulessa.

Asiantuntijan näkökulma

Tohtori Elena Morales, heliosfääriseen plasmaan erikoistunut astrofysiikko Coloradon yliopistosta, antoi näkökulman: "Tämä tulos muistuttaa tärkeästä seikasta, että jopa alhaisen tiheyden hiukkaspopulaatiot voivat muokata plasman dynamiikkaa aaltojen synnyllä. Vahvistamalla, kuinka usein PUIt ajavat aaltoja lähellä Maata, opimme, pitääkö avaruussääennusteissa käyttää päivitettyjä malleja."

Tutkijaryhmä kehottaa laajentamaan tilastollisia kartoituksia käyttäen MMS:ää ja täydentäviä missioita (esim. Parker Solar Probe, Solar Orbiter) kartoittamaan PUI-esiintymät, lajikoostumuksen ja niiden roolin aalto-hiukkas-lämmityksessä eri heliosentrisillä etäisyyksillä.

Yhteenveto

MMS-havainnot antavat ensimmäisen suoranaisen näytön siitä, että pickup-ionit voivat synnyttää aaltotoimintaa aurinkotuulessa lähellä Maata. Vaikka PUI:t ovat verrattain harvinaisia lähellä planeettaamme, niiden kyky ajaa aaltoja ja osallistua plasman lämmitykseen saattaa edellyttää päivityksiä aurinkotuulen ja avaruussään malleihin. Jatkuvat monialus-havainnot ja kohdennettu mallinnus ovat tarpeen PUI:den yleisyyden ja vaikutuksen kvantifioimiseksi koko heliosfäärissä.