Eine Grafik, die das ACE- und Wind-Raumschiff der NASA sowie das Cluster-Raumschiff der ESA darstellt, das auf Sonnenpartikelstrahlen trifft. Bildnachweis: UC Berkeley Zum Vergrößern anklicken
Eine Flotte von Weltraumwettersonden der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation beobachtete einen riesigen Strahl elektrisch geladener Teilchen im Sonnenwind zwischen Sonne und Erde. Der mindestens 200-mal so breite Strahl wie die Erde wurde durch Zusammenprallen von Magnetfeldern in einem als "magnetische Wiederverbindung" bezeichneten Prozess angetrieben.
magnetische Wiederverbindung im Sonnenwind
Diese Jets sind das Ergebnis natürlicher Teilchenbeschleuniger, die alles auf der Erde gebaute in den Schatten stellen. Wissenschaftler bauen kilometerlange Teilchenbeschleuniger auf der Erde, um Atome zusammenzuschlagen, um die grundlegenden Gesetze der Physik zu verstehen.
Ähnliche Jets, die durch Wiederverbindung angetrieben werden, treten im Magnetschild der Erde auf und erzeugen Effekte, die das umlaufende Raumschiff deaktivieren und schwere magnetische Stürme auf unserem Planeten verursachen können, die manchmal Kraftwerke stören.
Die neu entdeckten interplanetaren Jets sind weitaus größer als die im Magnetschild der Erde vorkommenden. Die neue Beobachtung ist die erste direkte Messung, die anzeigt, dass eine magnetische Wiederverbindung in riesigen Maßstäben erfolgen kann.
Das Verständnis der magnetischen Wiederverbindung ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis explosiver Phänomene im gesamten Universum, wie Sonneneruptionen (Explosionen in Milliardenhöhe in der Sonnenatmosphäre), Gammastrahlenausbrüche (intensive Strahlungsausbrüche exotischer Sterne) und Kernfusion im Labor. So wie ein Gummiband plötzlich reißen kann, wenn es zu weit gedreht wird, ist die magnetische Wiederverbindung ein natürlicher Prozess, bei dem die Energie in einem beanspruchten Magnetfeld plötzlich freigesetzt wird, wenn es seine Form ändert und Teilchen (Ionen und Elektronen) beschleunigt.
„Nur mit koordinierten Messungen von Raumfahrzeugen mit Sun-Earth-Verbindung wie ACE, Wind und Cluster können wir die Weltraumumgebung mit beispiellosen Details und in drei Dimensionen erkunden“, sagt Dr. Tai Phan, Hauptautor der Ergebnisse der University of California , Berkeley. "Die erdnahe Weltraumumgebung ist das einzige natürliche Labor, in dem wir die Physik explosiver magnetischer Phänomene im gesamten Universum direkt messen können." Phans Artikel erscheint am 12. Januar als Titelartikel in Nature.
Der Sonnenwind ist ein verdünnter Strom von elektrisch geladenem (ionisiertem) Gas, der kontinuierlich von der Sonne weht. Da der Sonnenwind elektrisch geladen ist, trägt er solare Magnetfelder mit sich. Der Sonnenwind, der von verschiedenen Orten auf der Sonne ausgeht, trägt Magnetfelder, die in verschiedene Richtungen zeigen. Eine magnetische Wiederverbindung im Sonnenwind findet statt, wenn „Blätter“ entgegengesetzt gerichteter Magnetfelder zusammengedrückt werden. Dabei verbinden sich die Bleche zu einem X-förmigen Querschnitt, der dann vernichtet oder gebrochen wird, um eine neue magnetische Liniengeometrie zu bilden. Die Erzeugung einer anderen magnetischen Geometrie erzeugt ausgedehnte Partikelstrahlen, die von der Wiederverbindungsstelle wegströmen.
Bis vor kurzem wurde die magnetische Wiederverbindung hauptsächlich in der „Magnetosphäre“ der Erde, dem natürlichen magnetischen Schild, der die Erde umgibt, berichtet. Es besteht aus Magnetfeldlinien, die von unserem Planeten erzeugt werden, und schützt uns vor dem kontinuierlichen Fluss geladener Teilchen, aus denen der Sonnenwind besteht, indem er sie ablenkt. Wenn sich jedoch die vom Sonnenwind getragenen interplanetaren Magnetfeldlinien in der entgegengesetzten Ausrichtung zu den Erdmagnetfeldlinien befinden, wird eine Wiederverbindung ausgelöst und Sonnenmaterial kann den Erdschild durchbrechen.
Einige frühere Wiederverbindungsereignisse, die in der Erdmagnetosphäre gemessen wurden, deuteten darauf hin, dass das Phänomen von Natur aus zufällig und lückenhaft war und sich nicht mehr als einige Zehntausend Kilometer (Meilen) erstreckte. "Diese Entdeckung löst jedoch eine langjährige Debatte darüber aus, ob die Wiederverbindung an sich lückenhaft ist oder ob sie stattdessen über weite Regionen im Weltraum hinweg funktionieren kann", sagte Dr. Jack Gosling von der University of Colorado, Mitautor des Papiers und ein Pionier in der Forschung zur Wiederverbindung im Weltraum.
Das breitere Bild der magnetischen Wiederverbindung entstand, als sechs Raumschiffe? die vier Cluster-Raumfahrzeuge der Europäischen Weltraumorganisation Cluster und die Advanced Composition Explorer (ACE) - und Windsonden der NASA? flogen am 2. Februar 2002 im Sonnenwind außerhalb der Erdmagnetosphäre und machten eine zufällige Entdeckung. Während einer Zeitspanne von ungefähr zweieinhalb Stunden beobachteten alle Raumfahrzeuge nacheinander einen einzigen riesigen Strom von Strahlpartikeln mit einer Breite von mindestens 2,5 Millionen Kilometern (ungefähr 1,5 Millionen Meilen oder fast 200 Erddurchmesser), der durch das größte Wiederverbindungsereignis aller Zeiten verursacht wurde direkt gemessen.
"Wenn die beobachtete Wiederverbindung uneinheitlich wäre, hätten ein oder mehrere Raumfahrzeuge höchstwahrscheinlich keinen beschleunigten Partikelfluss festgestellt", sagte Phan. "Darüber hinaus hätten uneinheitliche und zufällige Wiederverbindungsereignisse dazu geführt, dass verschiedene Raumfahrzeuge Jets erkennen, die in verschiedene Richtungen gerichtet sind, was nicht der Fall war."
Da das Raumschiff den Jet länger als zwei Stunden erkannt hat, muss die Wiederverbindung über mindestens diesen Zeitraum nahezu stabil gewesen sein. Weitere 27 große Wiederverbindungsereignisse? mit den zugehörigen Jets - wurden von ACE und Wind identifiziert, von denen vier mehr als 50 Erddurchmesser oder 650.000 Kilometer (ca. 400.000 Meilen) ausdehnten. Dank dieser zusätzlichen Daten konnte das Team den Schluss ziehen, dass die Wiederverbindung im Sonnenwind als erweitertes und stetiges Phänomen anzusehen ist.
Das Ereignis vom 2. Februar 2002 hätte erheblich größer sein können, aber die Raumfahrzeuge waren nicht mehr als 200 Erddurchmesser voneinander entfernt, sodass ihr wahres Ausmaß unbekannt ist. Zwei neue NASA-Missionen werden dabei helfen, die tatsächliche Größe dieser Ereignisse einzuschätzen und genauer zu untersuchen. Die Mission des Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO), deren Start für Mai oder Juni 2006 geplant ist, besteht aus zwei Raumfahrzeugen, die die Sonne auf gegenüberliegenden Seiten der Erde umkreisen und einen Abstand von fast 300 Millionen Kilometern haben. Ihre Hauptaufgabe ist es, koronale Massenauswürfe, Milliarden Tonnen Eruptionen von elektrisch geladenem Gas von der Sonne, in drei Dimensionen zu beobachten. Das Raumschiff kann jedoch auch magnetische Wiederverbindungsereignisse im Sonnenwind mit Instrumenten erfassen, die Magnetfelder und geladene Teilchen messen. Die Magnetospheric Multi-Scale Mission (MMS), deren Start für 2013 geplant ist, wird vier identische Raumfahrzeuge in verschiedenen Erdumlaufbahnen verwenden, um detaillierte Studien über die Ursache der magnetischen Wiederverbindung in der Erdmagnetosphäre durchzuführen.
Originalquelle: NASA-Pressemitteilung
