Korzystając z ponad 18 lat danych z misji Cluster ESA, naukowcy zmapowali metale ciężkie w przestrzeni otaczającej Ziemię, znajdując nieoczekiwany rozkład i rozpowszechnienie żelaza, które rzuca światło na skład naszego kosmicznego środowiska.

Ilustracja Słońca (po lewej) i wiatru słonecznego, stały przepływ naładowanych cząstek – elektronów, które mają ładunek ujemny, i dodatnio naładowanych jonów – które przenikają do Układu Słonecznego i wpływają na środowisko magnetyczne Ziemi (po prawej) . Źródło: ESA; Sun: ESA / NASA / SOHO / LASCO / EIT

Przestrzeń kosmiczną często uważa się za pozbawioną materii, ale technicznie nie jest tak naprawdę pusta: rozkład materii jest po prostu bardzo, bardzo rzadki. W pobliżu Ziemi przestrzeń, którą naukowcy nazywają „geoprzestrzenią”, jest faktycznie wypełniona naładowanymi cząsteczkami: mieszaniną elektronów o ładunku ujemnym i dodatnio naładowanych jonach. Jony te odgrywają kluczową rolę w procesach elektrodynamicznych, które obserwujemy w geoprzestrzeni, i przyczyniają się do burzliwej, zmiennej natury tej części kosmosu.

 

Zaskakujące wykrycie

Nowe badanie wykorzystuje ponad 18 lat danych z misji Cluster ESA – rozpoczętej w sierpniu 2000 roku i zbliżającej się do 20. rocznicy w kosmosie – w celu zbadania rozpowszechnienia ważnego jonu uważanego za stosunkowo rzadki w pobliżu Ziemi: żelaza . Wnikając w dane misji Cluster zebrane w latach 2001-2018, naukowcy wykryli nieoczekiwany rozkład żelaza w całej przestrzeni kosmicznej.

„Chociaż ilości są niewielkie, znaleźliśmy żelazo wszędzie: w całym regionie geoprzestrzennym oraz w wietrze słonecznym – ciągła emisja naładowanych cząstek ze Słońca”, mówi główny autor Stein Haaland z Maxa Planck Institute for Solar System Research w Getyndze w Niemczech oraz Birkeland Center for Space Science na Uniwersytecie w Bergen w Norwegii.

„Wykryliśmy żelazo w około 10% obserwacji, co biorąc pod uwagę względną rzadkość jonu, jest zaskakujące. Nie spodziewaliśmy się tak dużo”.

Zaskakująca jest jednak nie sama obecność żelaza, ale jego właściwości. Satelita JAXA / NASA Geotail, który spędził ponad 25 lat obserwując środowisko magnetyczne Ziemi, wykrył pojedynczo zjonizowane żelazo w geoprzestrzeni w 2017 roku. Są to atomy żelaza, które zostały pozbawione tylko najbardziej zewnętrznych elektronów. Nowe wyniki nie tylko potwierdzają to odkrycie, ale stanowią istotną nową część obrazu.

„Obserwacje skupiają się na znacznie wyższym zakresie energii niż satelita Geotail i dają nam pełniejszy obraz przestrzeni wokół nas, wykrywając nie tylko żelazo pojedynczo zjonizowane, ale także żelazo wielokrotnie jonizowane – są to jony o wyższych stanach energetycznych, które zostały pozbawione więcej niż jednego elektronu ”- dodaje Stein. „Żelazo w wietrze słonecznym jest zwykle widoczne w wyższych stanach naładowania, dlatego potrzebujemy tego szerszego, wyższego zakresu energii, aby zrozumieć w szczególności wiatr słoneczny i jego wpływ na środowisko magnetyczne Ziemi”.

Odległość między sondą Cluster podczas misji

Źródło żelaza w geoprzestrzeni

Jony mogą wpływać do geoprzestrzeni z góry lub z dołu. Niektóre lecą w górę z atmosfery ziemskiej, podczas gdy inne wylatują z wiatru słonecznego. Źródło metali ciężkich, takich jak żelazo, jest wciąż przedmiotem dyskusji – skąd pochodzą te jony i jak przyczyniają się do zjawisk, które widzimy wokół nas.

„Obserwacje Geotail koncentrowały się na żelazie poruszającym się w górę z atmosfery ziemskiej i przy raczej niskich energiach”, wyjaśnia Stein. „Odkryliśmy, że ze Słońca pochodzi znacznie więcej żelaza i przy znacznie wyższych energiach. Znaleźliśmy również żelazo w regionach powyżej czap polarnych Ziemi – miejscu, którego Geotail nie obejmował”.

Opierając się na wcześniejszych wynikach, nowe badanie głębiej analizuje potencjalne źródło zjonizowanego żelaza. Jest to kluczowy czynnik w zrozumieniu dynamiki i właściwości geoprzestrzeni, naszej magnetosfery, wiatru słonecznego oraz sposobu, w jaki struktury te spotykają się i oddziałują.

Wcześniejsze badania sugerowały, że wykrywanie jonów żelaza na wyższych szerokościach geograficznych może być spowodowane różnymi czynnikami, w tym meteorytami wchodzącymi do atmosfery ziemskiej i rozpadającymi się, cząstkami unoszonymi z określonych warstw atmosfery, a nawet cząsteczkami wyrzucanymi z Księżyca. Jednak nowe wyniki misji Cluster nie wykazują przekonujących dowodów na żaden z tych procesów; zamiast tego sugerują, że żelazo pochodzi prosto ze Słońca.

„Dane dotyczące rozmieszczenia i obecności żelaza zmieniały się w czasie w sposób odpowiadający zaburzeniom ziemskiego pola magnetycznego i długotrwałym wahaniom aktywności Słońca”, mówi Stein. „To sugeruje, że większość żelaza w kosmosie pochodzi z wiatru słonecznego, który przepływa przez magnetosferę, zamiast przemieszczać się w górę z atmosfery naszej planety”.

 

Ukryte w danych

Aby zmapować skład geoprzestrzenny, Stein i współpracownicy wykorzystali dane misji Cluster w nieoczekiwany sposób. Wykorzystali pomiary, które zostały zebrane nie do celów naukowych, ale do diagnostyki operacyjnej jednego z instrumentów statku kosmicznego – RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors).

Przyrząd identyfikuje i charakteryzuje różne jony, które wykrywa, mierząc ich energie i czas podróży wewnątrz detektora. W przypadku zwykłej działalności naukowej RAPID oblicza te właściwości tylko dla atomów wodoru, helu i tlenu; jednak do celów diagnostycznych przyrząd zapewnia dodatkowe właściwości dla ograniczonej liczby cząstek, rozszerzając sondowany zakres na cięższe jony.

Pomiary te służą do kalibracji przyrządu i zapewniają, że ​​działa on zgodnie z przeznaczeniem. Jednak naukowcy wykorzystali te obserwacje diagnostyczne – łącznie 122 000 godzin – do ustalenia składu nadchodzących jonów i identyfikacji cząstek żelaza.

„Zdolność RAPID do pomiaru składu jonów była niezbędna. Potrzebujemy pomiarów składu, aby pomóc nam lepiej zrozumieć, skąd pochodzą różne pierwiastki znajdujące się na Ziemi lub w jej pobliżu, i aby scharakteryzować nasze kosmiczne środowisko” – mówi Stein.

 

Wydobywanie archiwów

Zrozumienie przestrzeni otaczającej Ziemię jest jednym z głównych celów misji Cluster. Kwartet statku kosmicznego, latający w formacji wokół Ziemi, spędził lata, wchodząc i wychodząc z pola magnetycznego naszej planety, badając interakcje Słońca i Ziemi oraz charakteryzując zjawiska spowodowane tymi interakcjami.

Długowieczność misji i jej szeroka orbita pozwoliły zgromadzić prawie dwie dekady danych obejmujących wszystkie ziemskie regiony kosmiczne i duże ilości wiatru słonecznego.

„Potrzebowaliśmy tak długiego czasu na nasze badania – i było to możliwe tylko dzięki Cluster Science Archive, które zapewnia najwyższej jakości dane do wykorzystania przez społeczność naukową” – dodaje współautor Patrick Daly, również z Max Planck Institute for Badanie Układu Słonecznego i główny badacz instrumentu RAPID.

„Utworzenie tego archiwum wymagało znacznego wysiłku i ciągłego utrzymywania jego bardzo wysokich standardów kalibracji i niezawodności. Archiwum jest wyrazem uznania dla wielu oddanych inżynierów, operatorów statków kosmicznych i zespołów archiwizujących dane, które zadbały o to, aby Cluster działał i zapewniał nowe, ekscytujące informacje o przestrzeni blisko Ziemi ”.

W szczególności zbiory danych w Cluster Science Archive zawierają szczegółowe dane diagnostyczne – coś, co zwykle nie jest zawarte we wszystkich archiwach misji.

„Podkreśla to znaczenie archiwów naukowych w ogóle, a w szczególności danych diagnostycznych, pokazując, jak naprawdę cenne informacje można uzyskać z tych wszechstronnych zestawów danych w celu uzyskania najnowocześniejszych wyników naukowych” – mówi Philippe Escoubet, naukowiec z ESA Cluster Project.

„To także ładnie pokazuje, w jaki sposób badania stale ewoluują i posuwają się do przodu. Wykrywanie żelaza byłoby całkowicie nieoczekiwanym rezultatem w chwili pierwszego uruchomienia Cluster, ale misja nadal stanowi skarbnicę danych o środowisku Ziemi”.

 

 

Źródło: PhysOrg