Tunna skikt i rymden: det är där det händer
Universum är fylld av plasma, en laddad gas bestående av joner och elektroner. Trots denna enorma volym händer det mesta i tunna skikt med strömmar som separerar stora volymer av olika plasmer åt. Nu har forskare vid Institutet för rymdfysik, IRF, i Uppsala äntligen kunnat mäta fundamentala egenskaper för en av de många sorters vågor som rör om i plasmat i dessa strömskikt.
I stora delar av rymden är plasmat för tunt för att partiklar faktiskt ska kunna kollidera med varandra. Men eftersom partiklarna är laddade så kan elektriska fält som skapas av vissa partiklar påverka andra partiklar och ändra deras färdväg i rymden. Ofta finns det specifika vågor i det elektriska fältet som överför energi mellan partiklarna. Dessa vågor ersätter således vanliga kollisioner och är viktiga att studera.
Runt syd och nordpolen “regnar” det ofta ner snabba partiklar som träffar vår atmosfär och skapar vackra norrsken. Dessa partiklar har ofta sitt ursprung i tunna strömskikt, där de accelereras och skickas iväg mot jorden. Norrsken är inget som är unikt för vår planet, utan återfinns också vid till exempel Saturnus och Jupiter och förmodligen även en stor del exoplaneter. Tunna strömskikt återfinns även vid avlägsna stjärnor och på solens yta där explosiva processer kan leda till att stora volymer plasma kastas iväg mot jorden. I plasmer som återfinns på jorden, finns också tunna strömskikt i s k tokamakplasma (som används i fusionsforskning), och observationer från rymden kan hjälpa oss att förstå och kontrollera fusionsplasmer.
Solvinden för med sig plasma från solen ut i den interstellära rymden. När denna plasmavind träffar oss, dras jordens magnetfält ut på nattsidan och formar en svans som sträcker ut sig flera hundra tusen kilometer nedströms från jorden. Mellan den norra och södra delen av magnetsvansen återfinns ett tunt strömskikt där mycket händer. Det är denna region forskare har undersökt för att studera lägre-hybrid-driftvågor.
Dessa vågor har studerats i 50 år och tros spela en stor roll i tunna strömskikt. De har dock en relativt kort våglängd och har därför varit svåra att mäta experimentellt. Nu har forskare, för första gången, direkt mätt våglängden och hastigheten för dessa vågor. Genom att använda mätningar från två av den europeiska rymdorganisationen ESA:s fyra Cluster-satelliter, kunde forskarna observera samma vågpaket som färdades först förbi den ena och sen den andra satelliten. Under en period under 2007 var de två satelliterna separerade med så lite som 40 km och våglängden kunde bestämmas till ungefär 60 km (som är jämförbart med radien på cirkeln i vilken elektronen snurrar runt i magnetfältet) och hastigheten till ungefär 1000 km/s (som är jämförbart med jonernas drifthastighet). Resultaten publicerades den 31 juli i den vetenskapliga tidningen Physical Review Letters.
“Vi ser små virvlar som rör sig förbi satelliterna. De är precis så stora att man kan se dem först på ena satelliten, sedan den andra, och samtidigt vara säker på att det är samma struktur”, säger IRF:s Cecilia Norgren, doktorand vid Uppsala universitet. “Vad forskare gissat i flera decennier, har äntligen blivit verifierat.”
