Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Bergen - les mer.

Slik ser en illustratør for seg at solvindene presser jordas magnetosfære sammen på solsiden og trekker den ut i en lang hale på skyggesiden. (Illustrasjon: NASA)
Slik ser en illustratør for seg at solvindene presser jordas magnetosfære sammen på solsiden og trekker den ut i en lang hale på skyggesiden. (Illustrasjon: NASA)

Milliardekspedisjon har målt fenomenet bak romvær

For første gang er det målt nøyaktig hva som foregår i de kolossale eksplosjonene i jordas magnetiske hale. I et NASA-finansiert milliardprosjekt har fire satellitter patruljert klodens skyggeside på jakt etter store smell.

Publisert

Når kraftige solvinder hamrer løs på jordas beskyttende magnetfelt, tilføres enda mer futt og fart i områder som allerede strutter av energi. Da er det duket for vill vest.

Magnetiske linjer som ellers ligger pent og pyntelig ved siden av hverandre, litt som sporene på en jernbanestasjon, vikler seg inn i hverandre i kollisjoner som utløser voldsomme krefter.

– Når magnetisk energi fra sola presser sammen jordas magnetosfære på dagsiden, blir energioppladningen skyhøy. Under forhold vi foreløpig ikke vet så mye om, utløses denne energien på eksplosivt vis på jordas skyggeside. Magnetisk energi omdannes til bevegelsesenergi, og partikler fyker av gårde i hastigheter på opptil flere tusen kilometer i sekundet, sier Michael Hesse.

Hesse er professor ved Institutt for fysikk og teknikk ved Universitetet i Bergen (UiB) og har dessuten 23 års fartstid fra NASA.

Fenomenet han beskriver heter magnetisk rekonneksjon og har lenge vært et mysterium for romforskerne. De har visst om det og sett effektene av det – det kan slå ut både satellitter der oppe og strømforsyning her nede – men ellers har de ikke hatt særlig peiling på hva som foregår.

Ikke før nå.

Michael Hesse er professor i fysikk og leder for UiBs forskningsgruppe for romplasmafysikk. Han har jobbet 23 år på NASA Goddard Space Flight Center, sist som direktør for vitenskapsdivisjonen for heliofysikk. (Foto: Øystein Rygg Haanæs/UiB)
Michael Hesse er professor i fysikk og leder for UiBs forskningsgruppe for romplasmafysikk. Han har jobbet 23 år på NASA Goddard Space Flight Center, sist som direktør for vitenskapsdivisjonen for heliofysikk. (Foto: Øystein Rygg Haanæs/UiB)

Fire satellitter sendt ut på patrulje

I 2015 etablerte NASA romforskningsprogrammet Magnetospheric Multiscale (MMS), der UiB er med som forskningspartner. De sendte fire satellitter på patrulje i de potensielt mest eksplosive regionene; først på jordas dagside, deretter på nattsiden, der solvindene strekker magnetfeltet ut i en lang hale.

Etter å ha streifet rundt i den magnetiske halen i et år befant satellittene seg plutselig midt i smørøyet. Ifølge Hesse var det litt som å vente på bussen; har du først funnet traséen, kommer bussen før eller seinere forbi.

Dermed kunne avanserte instrumenter foreta et vanvittig antall målinger på eksepsjonelt kort tid og gi et svært presist bilde av hva som skjer når enorme mengder magnetisk energi frigis. Det ble målt hvor alle elektronene i et begrenset område kom fra, hvor de skulle, hvordan de påvirket elektriske og magnetiske felt i området og vice versa.

– Vi fikk rett og slett dokumentert i detalj det som skjer med voldsom energi på et lite område i løpet av noen sekunder – og som er totalt bestemmende for hva som deretter skal skje på et enormt område. Vi har ikke bare funnet nåla i høystakken. Vi har sett hele høystakken gå i lufta, sier Hesse entusiastisk.

Illustrasjon av de fire satellittene som kretser rundt i pyramideformasjon i jordas magnetiske hale. (Illustrasjon: NASA)
Illustrasjon av de fire satellittene som kretser rundt i pyramideformasjon i jordas magnetiske hale. (Illustrasjon: NASA)

Et viktig skritt mot bedre romværvarsler

Siden har satellittene hatt flere vellykkede stevnemøter med magnetiske rekonneksjoner. Måledataene har gitt helt ny innsikt i en prosess som ikke bare foregår i jordas magnetfelt, men også blant annet i nøytronstjerner og i solas vilt varme korona; den blåhvite strålekransen der temperaturen kan bli flere millioner grader. En nøytronstjerne er ett av flere mulige sluttstadier i en stjernes liv.

At det er vanvittige krefter i sving, er det liten tvil om. Under en magnetisk rekonneksjon i solas atmosfære kan partiklene – elektroner, protoner og ioner – akselereres tilsvarende en spenning på flere hundre millioner volt. Til sammenligning har en standard høyspentledning en spenning på 420 000 volt.

Kjempekreftene som er i sving på solas overflate, bidrar til haraball også i jordas magnetfelt. (Illustrasjon: NASA Goddard Space Flight Center)
Kjempekreftene som er i sving på solas overflate, bidrar til haraball også i jordas magnetfelt. (Illustrasjon: NASA Goddard Space Flight Center)

– Du må også huske at magnetisk rekonneksjon er hovedmaskinen bak det vi kaller romvær og kilde til stråling som kan skade astronauter, satellitter, kommunikasjonsutstyr og strømtransformatorer. Denne forskningen kan derfor være et viktig skritt mot langt bedre romværvarsler, sier Hesse, som vedgår at magnetisk rekonneksjon har vært en livslang kjærlighet.

Prosessen skjer også nede på jorda, nærmere bestemt i fusjonsreaktorer i kjernekraftverk. Men der er det ikke mulig å måle prosessen.

– Det er rett og slett umulig å lage instrumenter som er små nok til at vi kan måle det som foregår i de kritiske regionene i en magnetisk rekonneksjon i en reaktor. I verdensrommet kan vi derimot bruke den plassen vi trenger. Der klarer vi å måle hva som skjer før partiklene forsvinner i alle himmelretninger, forklarer Hesse.

Strider mot fysiske lover

For å gjøre et allerede mystisk fenomen enda mer gåtefullt, forteller Hesse at magnetisk rekonneksjon egentlig er forbudt fra naturens side de fleste steder.

– De fleste steder vil prosessen stride mot fysiske lover, for i det meste av verdensrommet er partiklene koblet til magnetfeltene og beveger seg sammen med dem. Da kan de ikke kobles om på den måten vi snakker om i magnetisk rekonneksjon, sier han.

En akkresjonsskive oppstår når et sort hull stjeler masse fra en nærliggende stjerne. Her er den elektromagnetiske strålingen høy – og magnetisk rekonneksjon et dagligdags fenomen. (Illustrasjon: Wikimedia)
En akkresjonsskive oppstår når et sort hull stjeler masse fra en nærliggende stjerne. Her er den elektromagnetiske strålingen høy – og magnetisk rekonneksjon et dagligdags fenomen. (Illustrasjon: Wikimedia)

Siden jordas magnetosfære så langt er det eneste tenkelige stedet der magnetfeltkollisjoner kan studeres i detalj, håper Hesse NASA vil finansiere satellittpatruljen i mange år fremover.

– Nå vet vi en hel del om hvordan prosessen foregår, men det gjenstår mye forskning for å finne ut hvorfor den oppstår og for en gang i fremtiden å kunne forutsi hvor den vil oppstå, sier Hesse.

Forskningsgruppen for romplasmafysikk ved UiB vil være med videre i MMS-programmet. UiB er i dag ekspertservicesenter for geomagnetisk informasjon for den europeiske romfartsorganisasjonen ESA og har derfor stor nytte av den nye kunnskapen de fire satellittene bidrar til.

Referanse:

R.B. Torbert mfl: Electron-scale dynamics of the diffusion region during symmetric magnetic reconnection in space. Science, 2018. (Sammendrag). Doi.org/10.1126/science.aat2998