Un tipo speciale di aurora, drappeggiato est-ovest attraverso il cielo notturno come una collana di perle incandescente, sta aiutando gli scienziati a comprendere meglio la scienza delle aurore e dei loro potenti vettori nello spazio. Conosciuto come perle aurorali, queste luci si manifestano spesso poco prima dei grandi display aurorali, che sono causati da tempeste elettriche nello spazio chiamate sottotempeste. In precedenza, gli scienziati non erano sicuri se le perle aurore fossero in qualche modo collegate ad altre manifestazioni aurorali come un fenomeno nello spazio che precede le sottotempeste, o se sono causati da disturbi più vicini all'atmosfera terrestre.

Ma i nuovi potenti modelli di computer combinati con le osservazioni della missione Time History of Events e Macroscale Interactions durante Substorms - THEMIS - della NASA hanno fornito la prima forte prova degli eventi nello spazio che hanno portato alla comparsa di queste perle, e hanno dimostrato l'importante ruolo che svolgono nel nostro ambiente spaziale vicino.

"Ora sappiamo per certo che la formazione di queste perle fa parte di un processo che precede l'innesco di una sottotempesta nello spazio, " disse Vassilis Angelopoulos, ricercatore principale di THEMIS presso l'Università della California, Los Angeles. "Questo è un nuovo importante pezzo del puzzle".

Fornendo un quadro più ampio di quello che si può vedere con i tre veicoli spaziali THEMIS o con le sole osservazioni a terra, i nuovi modelli hanno dimostrato che le perle aurorali sono causate dalla turbolenza nel plasma, un quarto stato della materia, costituito da particelle cariche gassose e altamente conduttive che circondano la Terra. I risultati, recentemente pubblicato sulle riviste Lettere di ricerca geofisica e Journal of Geophysical Research:Space Physics , alla fine aiuterà gli scienziati a comprendere meglio l'intera gamma di strutture vorticose osservate nelle aurore.

"Le osservazioni di THEMIS hanno ora rivelato turbolenze nello spazio che causano flussi visti illuminare il cielo come di singole perle nella scintillante collana di aurore, " disse Evgenij Panov, autore principale di uno dei nuovi articoli e scienziato THEMIS presso l'Istituto di ricerca spaziale dell'Accademia austriaca delle scienze. "Queste turbolenze nello spazio sono inizialmente causate da elettroni più leggeri e più agili, muovendosi con il peso di particelle 2000 volte più pesanti, e che teoricamente potrebbe svilupparsi in sottotempeste aurorali su vasta scala."

Misteri della formazione delle perle aurorali

Le aurore vengono create quando le particelle cariche del Sole sono intrappolate nell'ambiente magnetico terrestre, la magnetosfera, e vengono incanalate nell'atmosfera superiore della Terra, dove le collisioni causano idrogeno, ossigeno, e gli atomi e le molecole di azoto si illuminano. Modellando l'ambiente vicino alla Terra su scale da decine di miglia a 1,2 milioni di miglia, gli scienziati di THEMIS sono stati in grado di mostrare i dettagli di come si formano le perle aurore.

Mentre nuvole di plasma eruttate dal Sole passano davanti alla Terra, la loro interazione con il campo magnetico terrestre crea bolle di plasma galleggianti dietro la Terra. Come una lampada di lava, squilibri nella galleggiabilità tra le bolle e il plasma più pesante nella magnetosfera crea dita di plasma 2, 500 miglia di larghezza che si estendono verso la Terra. Le firme di queste dita creano la distinta struttura a forma di perlina nell'aurora.

"C'è stata una realizzazione che, tutto sommato, questi eventi transitori relativamente piccoli che accadono intorno alla magnetosfera sono in qualche modo importanti, " ha detto David Sibeck, Scienziato del progetto THEMIS presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Solo di recente siamo arrivati ​​al punto in cui la potenza di calcolo è abbastanza buona da catturare la fisica di base in questi sistemi".

Ora che gli scienziati capiscono che le perle aurorali precedono le sottotempeste, vogliono capire come, perché e quando le perline potrebbero scatenare una subtempesta in piena regola. Almeno in teoria, le dita possono aggrovigliare le linee del campo magnetico e causare un evento esplosivo noto come riconnessione magnetica, che è ben noto per creare sottotempeste e aurore su vasta scala che riempiono il cielo notturno.

Nuovi modelli aprono nuove porte

Dal suo lancio nel 2007, THEMIS ha effettuato misurazioni dettagliate mentre attraversa la magnetosfera per comprendere le cause delle sottotempeste che portano alle aurore. Nella sua missione principale, THEMIS è stato in grado di dimostrare che la riconnessione magnetica è una delle cause principali delle sottotempeste. I nuovi risultati evidenziano l'importanza delle strutture e dei fenomeni su scale più piccole, quelle centinaia e migliaia di miglia di diametro rispetto a quelle che si estendono per milioni di miglia.

"Per comprendere queste caratteristiche nell'aurora, hai davvero bisogno di risolvere sia globali che più piccoli, scale locali. Ecco perché è stato così impegnativo fino ad ora, " ha detto Slava Merkin, coautore di uno dei nuovi articoli e scienziato presso il Center for Geospace Storms della NASA con sede presso il Laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University a Laurel, Maryland. "Richiede algoritmi molto sofisticati e supercomputer molto grandi".

Le nuove simulazioni al computer corrispondono quasi perfettamente a THEMIS e alle osservazioni del suolo. Dopo il successo iniziale dei nuovi modelli di computer, Gli scienziati di THEMIS sono ansiosi di applicarli ad altri fenomeni aurorali inspiegabili. In particolare nello spiegare le strutture su piccola scala, i modelli al computer sono essenziali in quanto possono aiutare a interpretare ciò che accade tra gli spazi in cui passano i tre veicoli spaziali THEMIS.

"C'è un sacco di molto dinamico, strutture su scala molto piccola che le persone vedono nelle aurore che sono difficili da collegare al quadro più ampio nello spazio poiché si verificano molto rapidamente e su scale molto piccole, "ha detto Kareem Sorathia, autore principale di uno dei nuovi articoli e scienziato presso il Center for Geospace Storms della NASA con sede presso il Johns Hopkins Applied Physics Laboratory. "Ora che possiamo utilizzare modelli globali per caratterizzarli e investigarli, che apre molte nuove porte".