La magnetosfera terrestre contiene plasma, un gas ionizzato composto da ioni positivi ed elettroni negativi. Il movimento di queste particelle di plasma cariche è controllato da campi elettromagnetici. Si ritiene che i processi di trasferimento di energia che si verificano in questo plasma spaziale senza collisioni siano basati su interazioni onda-particella come l'accelerazione delle particelle da parte delle onde di plasma e la generazione di onde spontanee, che consentono il trasferimento di energia e quantità di moto.

Però, mentre la coesistenza di onde con particelle accelerate nella magnetosfera è stata studiata per molti anni, la gradualità delle interazioni tra loro ha reso difficile l'osservazione di questi processi. La rilevazione del trasferimento di energia locale tra le particelle ei campi è quindi necessaria per consentire una valutazione quantitativa delle loro interazioni.

I ricercatori dell'Istituto per la ricerca ambientale spazio-terra (ISEE) dell'Università di Nagoya fanno parte di un team di ricerca che ha eseguito misurazioni ultraveloci utilizzando quattro veicoli spaziali magnetosferici multiscala (MMS) per valutare il trasferimento di energia che si è verificato durante le interazioni associate alle onde elettromagnetiche di ciclotrone di ioni. "Abbiamo osservato che le distribuzioni degli ioni non erano simmetriche attorno alla direzione del campo magnetico, ma erano di fatto in fase con i campi delle onde del plasma, " afferma Masafumi Shoji dell'Università di Nagoya.

Le misurazioni ad alta risoluzione fornite dal veicolo spaziale MMS sono state combinate con misurazioni di ioni risolte dalla composizione per dimostrare il verificarsi simultaneo di due trasferimenti di energia. Il primo trasferimento di energia è stato da ioni di idrogeno anisotropi caldi a un'onda di ciclotrone ionico tramite un processo di risonanza ciclotronica, mentre il secondo trasferimento era dall'onda del ciclotrone agli ioni di elio, che ha avuto luogo tramite un'interazione non risonante e ha visto il freddo He ⁺ ioni che vengono accelerati a energie fino a 2 keV.

"Questo rappresenta una prova quantitativa diretta del verificarsi di un trasferimento di energia senza collisioni tra due distinte popolazioni di particelle tramite interazioni onda-particella, "dice Yoshizumi Miyoshi dell'ISEE dell'Università di Nagoya. "Misurazioni di questo tipo forniranno persino la capacità di identificare i tipi di interazioni onda-particella che si verificano". I risultati del team sono stati recentemente pubblicati su Scienza .

Si spera che questa ricerca rappresenti un passo importante verso una comprensione quantitativa delle interazioni onda-particella e del trasferimento di energia tra popolazioni di particelle nel plasma spaziale. Ciò avrebbe implicazioni per la nostra comprensione di un'ampia varietà di fenomeni del plasma spaziale, compresa la cintura di radiazioni di Van Allen, tempeste geomagnetiche, precipitazione di particelle aurorali, e la perdita atmosferica dai pianeti, come la perdita di ioni ossigeno dall'atmosfera terrestre.