Cuando se lanzó la misión Magnetospheric Multiscale (o MMS) de la NASA, los científicos sabían que respondería a preguntas fundamentales sobre la naturaleza de nuestro universo, y MMS no ha decepcionado. Un nuevo hallazgo presentado en un documento en Comunicaciones de la naturaleza , proporciona una prueba de observación de una teoría de 50 años y reconfigura la comprensión básica de un tipo de onda en el espacio conocida como onda cinética de Alfvén. Los resultados, que revelan inesperado, complejidades a pequeña escala en la ola, también son aplicables a las técnicas de fusión nuclear, que se basan en minimizar la existencia de tales ondas dentro del equipo para atrapar el calor de manera eficiente.
Durante mucho tiempo se ha sospechado que las ondas cinéticas de Alfvén son transportadoras de energía en los plasmas, un estado fundamental de la materia compuesta por partículas cargadas, en todo el universo. Pero no fue hasta ahora con la ayuda de MMS, que los científicos han podido observar más de cerca la microfísica de las ondas en escalas relativamente pequeñas donde realmente ocurre la transferencia de energía.
"Esta es la primera vez que hemos podido ver esta transferencia de energía directamente, "dijo Dan Gershman, autor principal y científico de MMS en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, y la Universidad de Maryland en College Park. "Estamos viendo una imagen más detallada de las olas de Alfvén de lo que nadie ha podido obtener antes".
Las ondas podrían estudiarse a pequeña escala por primera vez debido al diseño único de la nave espacial MMS. Las cuatro naves espaciales de MMS vuelan en una formación piramidal compacta en 3-D, con solo cuatro millas entre ellos, más cerca que nunca antes y lo suficientemente pequeño como para caber entre dos picos de olas. Tener varias naves espaciales permitió a los científicos medir detalles precisos sobre la onda, como qué tan rápido se movía y en qué dirección viajaba.
Misiones previas de múltiples naves espaciales volaron a separaciones mucho más grandes, lo que no les permitía ver las escamas pequeñas, como si trataran de medir el grosor de una hoja de papel con una vara de medir. La formación de vuelo apretada de MMS, sin embargo, permitió a la nave espacial investigar las longitudes de onda más cortas de las ondas cinéticas de Alfvén, en lugar de pasar por alto los efectos a pequeña escala.
"Es solo a estas pequeñas escalas que las ondas pueden transferir energía, por eso es tan importante estudiarlos, "Dijo Gershman.
A medida que las ondas cinéticas de Alfvén se mueven a través de un plasma, los electrones que viajan a la velocidad adecuada quedan atrapados en los puntos débiles del campo magnético de la onda. Debido a que el campo es más fuerte a ambos lados de tales puntos, los electrones rebotan hacia adelante y hacia atrás como si estuvieran bordeados por dos paredes, en lo que se conoce como espejo magnético en la onda. Como resultado, los electrones no se distribuyen uniformemente:algunas áreas tienen una mayor densidad de electrones, y otros bolsillos quedan con menos electrones. Otros electrones, que viajan demasiado rápido o demasiado lento para montar la ola, terminan pasando energía de un lado a otro con la ola mientras se mueven para mantenerse al día.
La capacidad de la onda para atrapar partículas se predijo hace más de 50 años, pero hasta ahora no se había capturado directamente con mediciones tan completas. Los nuevos resultados también mostraron una tasa de captura mucho más alta de lo esperado.
Este método de atrapar partículas también tiene aplicaciones en la tecnología de fusión nuclear. Los reactores nucleares utilizan campos magnéticos para confinar el plasma con el fin de extraer energía. Los métodos actuales son muy ineficaces ya que requieren grandes cantidades de energía para alimentar el campo magnético y mantener el plasma caliente. Los nuevos resultados pueden ofrecer una mejor comprensión de un proceso que transporta energía a través de un plasma.
"Podemos producir, con algo de esfuerzo, estas ondas en el laboratorio para estudiar, pero la ola es mucho más pequeña que en el espacio, "dijo Stewart Prager, científico del plasma en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton en Princeton, New Jersey. "En el espacio, pueden medir propiedades más finas que son difíciles de medir en el laboratorio ".
Este trabajo también puede enseñarnos más sobre nuestro sol. Algunos científicos piensan que las ondas cinéticas de Alfvén son clave para la forma en que el viento solar, el flujo constante de partículas solares que barre hacia el espacio, se calienta a temperaturas extremas. Los nuevos resultados brindan información sobre cómo podría funcionar ese proceso.
En todo el universo Las ondas cinéticas de Alfvén son omnipresentes en entornos magnéticos, e incluso se espera que estén en los chorros extragalácticos de los quásares. Al estudiar nuestro entorno cercano a la Tierra, Misiones de la NASA como MMS pueden hacer uso de una laboratorio cercano para comprender la física de los campos magnéticos en todo el universo.
