Quando è stata lanciata la missione Magnetospheric Multiscale (o MMS) della NASA, gli scienziati sapevano che avrebbe risposto a domande fondamentali sulla natura del nostro universo, e l'MMS non ha deluso. Una nuova scoperta, presentato in un documento in Comunicazioni sulla natura , fornisce la prova osservativa di una teoria vecchia di 50 anni e rimodella la comprensione di base di un tipo di onda nello spazio nota come onda cinetica di Alfvén. I risultati, che si rivelano inaspettati, complessità su piccola scala nell'onda, sono applicabili anche alle tecniche di fusione nucleare, che si basano sulla riduzione al minimo dell'esistenza di tali onde all'interno dell'apparecchiatura per intrappolare il calore in modo efficiente.
Le onde cinetiche di Alfvén sono state a lungo sospettate di essere trasportatori di energia nei plasmi, uno stato fondamentale della materia composto da particelle cariche, in tutto l'universo. Ma non è stato fino ad ora, con l'aiuto dell'MMS, che gli scienziati sono stati in grado di dare un'occhiata più da vicino alla microfisica delle onde su scale relativamente piccole dove avviene effettivamente il trasferimento di energia.
"Questa è la prima volta che siamo stati in grado di vedere direttamente questo trasferimento di energia, " ha detto Dan Gershman, autore principale e scienziato MMS presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, e l'Università del Maryland a College Park. "Stiamo vedendo un'immagine più dettagliata delle onde di Alfvén di quanto chiunque sia stato in grado di ottenere prima".
Le onde potrebbero essere studiate su piccola scala per la prima volta grazie al design unico del veicolo spaziale MMS. I quattro veicoli spaziali di MMS volano in una formazione piramidale 3D compatta, con appena quattro miglia tra loro, più vicino che mai raggiunto prima e abbastanza piccolo da stare tra due picchi d'onda. Avere più veicoli spaziali ha permesso agli scienziati di misurare dettagli precisi sull'onda, come la velocità con cui si è mosso e in quale direzione ha viaggiato.
Le precedenti missioni multi-astronave hanno volato a separazioni molto più grandi, il che non permetteva loro di vedere le piccole scale, proprio come cercare di misurare lo spessore di un pezzo di carta con un metro. La stretta formazione di volo dell'MMS, però, ha permesso al veicolo spaziale di studiare le lunghezze d'onda più corte delle onde cinetiche di Alfvén, invece di sorvolare sugli effetti su piccola scala.
"È solo a queste piccole scale che le onde sono in grado di trasferire energia, ecco perché è così importante studiarli, " ha detto Gershman.
Mentre le onde cinetiche di Alfvén si muovono attraverso un plasma, gli elettroni che viaggiano alla giusta velocità rimangono intrappolati nei punti deboli del campo magnetico dell'onda. Poiché il campo è più forte su entrambi i lati di tali punti, gli elettroni rimbalzano avanti e indietro come se circondati da due pareti, in quello che è noto come uno specchio magnetico nell'onda. Di conseguenza, gli elettroni non sono distribuiti uniformemente:alcune aree hanno una maggiore densità di elettroni, e altre tasche rimangono con meno elettroni. altri elettroni, che viaggiano troppo veloci o troppo lenti per cavalcare l'onda, finiscono per passare energia avanti e indietro con l'onda mentre fanno a gara per tenere il passo.
La capacità dell'onda di intrappolare le particelle è stata prevista più di 50 anni fa, ma fino ad ora non era stata catturata direttamente con misurazioni così complete. I nuovi risultati hanno anche mostrato un tasso di cattura molto più alto del previsto.
Questo metodo di intrappolamento delle particelle ha anche applicazioni nella tecnologia della fusione nucleare. I reattori nucleari utilizzano campi magnetici per confinare il plasma al fine di estrarre energia. I metodi attuali sono altamente inefficienti in quanto richiedono grandi quantità di energia per alimentare il campo magnetico e mantenere caldo il plasma. I nuovi risultati possono offrire una migliore comprensione di un processo che trasporta energia attraverso un plasma.
"Possiamo produrre, con un certo sforzo, queste onde in laboratorio per studiare, ma l'onda è molto più piccola che nello spazio, " ha detto Stewart Prager, scienziato del plasma presso il Princeton Plasma Physics Laboratory di Princeton, New Jersey. "Nello spazio, possono misurare proprietà più fini che sono difficili da misurare in laboratorio."
Questo lavoro può anche insegnarci di più sul nostro sole. Alcuni scienziati pensano che le onde cinetiche di Alfvén siano la chiave per il modo in cui il vento solare, l'emissione costante di particelle solari che si disperdono nello spazio, viene riscaldato a temperature estreme. I nuovi risultati forniscono informazioni su come questo processo potrebbe funzionare.
In tutto l'universo, le onde cinetiche di Alfvén sono onnipresenti negli ambienti magnetici, e si prevede anche che si trovino nei getti extragalattici dei quasar. Studiando il nostro ambiente vicino alla Terra, Le missioni della NASA come l'MMS possono fare uso di un unico, vicino laboratorio per comprendere la fisica dei campi magnetici in tutto l'universo.
