そのように、NASA の宇宙船群は、宇宙物理学のより深い謎の 1 つを解明しました。「磁気リコネクション」とは、太陽の磁場からのエネルギーが地球に漏れ出し、潜在的に有害な宇宙天気を引き起こすプロセスです。軌道上でわずか数か月後、磁気圏マルチスケール (MMS) ミッションの 4 台の宇宙船は、リコネクションが発生する宇宙領域を飛行し、現象の原因と考えられる電子の動きを初めて測定しました。
テキサス州サンアントニオにあるサウスウェスト研究所の宇宙科学者であり、MMS の主任研究員である James Burch 氏は、迅速な結果は「まったく予想外だった」と述べています。 「物事が乱雑で乱雑になるので、測定を行うのは難しいだろうと思っていました」と彼は言います。 「しかし、何が起こっているのかは非常に明確でした。」ニュージャージー州にあるプリンストン プラズマ物理学研究所の山田正明氏は、リコネクションを理解するための研究所ベースの取り組みを率いています。
惑星、恒星、そして原理的にはブラック ホールなど、多くの天体には磁場があります。これらの磁場は通常、棒磁石と同じリンゴのような形をしています。磁場をたどる架空の「線」は、磁石の南極から出て、空間を北に向かってループし、磁石の北極に戻ってきます。 (地球上では、北極と南極の磁極は、地理的な北極と南極とほぼ一致しています。) 電子やイオンなどの荷電粒子は、磁力線に沿ってらせん状に渦巻いています。この磁場は時折、太陽の太陽フレアや、超新星よりもはるかに強力なマグネターとして知られる強力な磁気パルサーからの巨大なフレアなど、爆発的な爆発を引き起こします。
これらの爆発の原因は、磁気リコネクションであると考えられています。この現象は、太陽の磁場が地球の磁場を押す宇宙の境界である磁気圏界面など、さまざまな発生源からの反対の磁場が出会う場所で発生します。通常、その境界は地球のシールドとして機能し、太陽から来る高エネルギーの荷電粒子の流れである太陽風をそらします。しかし、再接続によって地球の磁気防御に亀裂が生じ、太陽の粒子が地球に降り注ぐようになります。
反対の磁場が交わる場所では、磁力線は隣接する列車の線路のように、粒子がそれに沿って反対方向に移動します。ただし、時折、磁力線が壊れて、緩んだ端が反対方向のものと再接続し、ヘアピン ベンドを持つ 2 つの新しい磁力線が作成されます。これにより、「片足が太陽に、片足が地球にある磁力線」が生じると、バーチは言う。 「太陽エネルギーがすべて流れ込みます。」このプロセスは、すでにフィールド内で螺旋状になっている粒子にもエネルギーを与える、と山田は言う。このように、地球の磁気圏界面での再接続は、衛星に損傷を与え、宇宙飛行士の健康を脅かし、地表の通信とエネルギー グリッドを混乱させる破壊的な宇宙天気を引き起こす可能性があります。
科学者たちは、再接続がどのように機能するかを正確に理解するのに苦労してきました.実験室での実験では、この現象は非常に迅速かつ小規模に発生するため、研究が困難です。宇宙の方が良いですが、予測できない時間と場所で発生します。地球の磁気圏界面は、「これができる唯一の場所です」とバーチは言います。欧州宇宙機関の 4 つの宇宙船クラスター ミッションなど、いくつかの探査機はそこでの再接続を測定しようとしました。しかし、これらの宇宙船には、重要であると考えられている電子の動きを突き止めるのに十分な感度を持つ機器がありませんでした。
MMS ミッションでは、4 つの同一の宇宙船のそれぞれに、磁場と電場、およびイオンと電子の動きを測定する多数の機器が搭載されています。 2015 年 3 月に打ち上げられたこの宇宙船は、その夏の終わりにデータの収集を開始し、10 キロメートル離れた四面体の編隊で飛行しました。 6 か月で、彼らは磁気圏界面を 4000 回通過しました。しかし、10 月 16 日、4 機の宇宙船が再接続が進行中の地域を通過するという幸運に恵まれました。その後、彼らはさらに 5 回直接遭遇しました。
MMS チームが本日 Science で報告したように 、一部の理論家が予測した電子の乱流の渦の代わりに、研究者は、電子がより協調的な方法で移動し、磁気圏界面を前後に蛇行していることを発見しました。この協調した電子の流れは電流を構成し、それが今度はギャップを横切って磁場を生成し、おそらくスパークを提供し、両側の反対の磁場を壊して再接続させます.同時に、電流に沿って配列された電界が、磁気を運動エネルギーに変換し、パチンコのように粒子を発射します。
バーチ氏は、粒子を加速するこのメカニズムは、再結合の「発火源」であると述べていますが、研究者はまだ電場の発生源を突き止めていません。今後数か月のうちに、彼らはわずか 5 km 離れた宇宙船との再接続にさらに遭遇し、より詳細な画像を取得することを望んでいます。以前は、コンピュータ シミュレーションは常にリコネクション実験よりも進んでいた、と Burch 氏は言います。今はそれが逆転しています。 「それらの [理論] 連中は、これを説明しようと奮闘しています」と彼は言います。
MMS によって提供されるより深い理解は、研究者が再結合の増加がどこで発生し、どのような粒子の流れが入り込むかを予測するのに役立ちます、と Burch は言います:「私たちは多くの予測能力を持っているでしょう.」
