Ablak bezárása X

Eötvös 2020+: az Akadémia nagyot lépett a Kormány innovációs céljainak támogatásában

Eddig még nem sejtett szoros kapcsolatot fedeztek fel magyar és japán kutatók a Föld körüli térségben

Bolygónk közvetlen környezete számos bonyolult és kaotikus fizikai folyamat színtere, amelyek létezéséről alig pár évtizede szereztünk tudomást. A földi mágneses tér határán ott találjuk az univerzum egyik leghatékonyabb természetes részecskegyorsító „szerkezetét”, az űrplazmában kialakuló lökéshullámot is. A részecskegyorsítást rendkívüli jelentősége miatt hosszú ideje vizsgálják, azonban a mechanizmus részletei még nem teljesen tisztázottak. Az új eredmények nagymértékben hozzájárulnak e fontos fizikai folyamat mélyebb megértéséhez.

2018. november 21.

Központi csillagunk, a Nap folyamatosan bocsát ki egy nagyon ritka, mágnesezett plazmaállapotú anyagot, az úgynevezett napszelet. A Napból folyamatosan kiáramló anyag akár szabad szemmel is megfigyelhető teljes napfogyatkozás idején. A napszél áramlásának sebessége a Föld környezetében hétköznapi tapasztalatainkhoz viszonyítva rendkívül nagy, 350–600 kilométer másodpercenként. A Föld mágneses tere ugyanakkor gyakorlatilag áthatolhatatlan akadályt képez a napszél áramlásának útjában. Emiatt a napszél anyaga a földi mágneses tér előtt feltorlódik, összenyomódik és lelassul, és így kialakul az ún. földi lökéshullám. A jelenség hasonlít ahhoz, amikor egy gyors sodrású folyóba épített hídpillér körül kialakul egy jól megfigyelhető ívelt állóhullám. Vagyis a Föld egy olyan mágneses buborékba csomagolt bolygó, amely szigetként lebeg a napszél gyors áramában, és amelynek partjainál megtörik és hullámokat vet a napszél.

A földi lökéshullám különleges képességekkel is rendelkezik: képes a napszelet alkotó részecskék egy részét (amelyek alapvetően protonok és elektronok) nagy energiákra gyorsítani. Ezt a jelenséget elsőrendű Fermi-gyorsításnak nevezték el, ezzel tisztelegve Enrico Fermi Nobel-díjas fizikus előtt, aki elsőként ismerte fel a folyamat részecskegyorsító képességét. Mint ismeretes, Enrico Fermi együtt dolgozott Szilárd Leóval és Teller Edével a Manhattan-projektben, mely elvezetett a nukleáris energia első gyakorlati felhasználásáig. Általánosan elfogadott elmélet, hogy például egy szupernóva-robbanás környezetében megjelenő nagy energiájú kozmikus sugárzás is olyan fizikai folyamatok eredményeképpen jön létre, mint amilyenek a földi lökéshullám esetében észlelhetők. A távoli helyszíneken zajló folyamatok azonban közvetlenül nem figyelhetők meg, hiszen nem tudunk űreszközöket küldeni egy szupernóvához. A földi lökéshullám tehát az egyetlen olyan természetes űrplazma-laboratórium, ahol a részecskegyorsítás folyamata részletesen és alaposan tanulmányozható közvetlen, helyben végzett műholdas megfigyelések segítségével.

Ionnyalábok, elektromágneses hullámok és nagy energiájú részecskék a Föld határán

A földi lökéshullám körül kialakuló térség szerkezete igen bonyolult. A napszél rendelkezik mágneses térrel, amelynek iránya mintegy „befagyva” a plazmába érkezik el a Földhöz. Ennek a mágneses térnek az iránya alapján beszélhetünk merőleges vagy párhuzamos szerkezetű lökéshullámról. Mivel a földi lökéshullám ívelt, mindkettőt megtaláljuk egyazon időben, a lökéshullám két oldalán. A merőleges (szakkifejezéssel: kvázimerőleges) lökéshullám szerkezete egyszerű, könnyen meghatározható, ugyanis a napszélben található részecskék nem tudnak elszökni a lökéshullámmal való találkozás után a mágneses tér iránya miatt. Kivételt képez egy ionnyaláb, amely a napszél lökéshullámról visszavert ionjaiból áll, és képes a mágneses térrel párhuzamosan haladva messze eltávolodni a lökéshullámtól, így tulajdonképpen a napszéllel szemben halad.

A Föld körüli térség mint hullámok és gyorsított részecskék forgataga Forrás: az Imperial College, London ábrája alapján

A párhuzamos lökéshullám messze bonyolultabb képet mutat, ugyanis a párhuzamos lökéshullám előtt kialakul egy kiterjedt térség, amelyet gyorsított ionok és mágneses hullámok kavalkádja jellemez. Ennek elsődleges oka az, hogy a lökéshullámmal találkozó ionok képesek a mágneses tér iránya miatt messze eltávolódni a lökéshullámtól. Azonban ekkor szembekerülnek a napszél áramlásával, és ez a kölcsönhatás elektromágneses hullámokat hoz létre. A hullámok viszont szórják ezeket az ionokat, aminek következtében visszafordítják őket a lökéshullám felé, majd ismét találkoznak a lökéshullámmal, amiről ismét visszaverődnek, és a folyamat újra és újra megismétlődik. Ez a „kozmikus pingpongmeccs” a már említett elsőrendű Fermi-gyorsítás lényege, ugyanis a folyamatban részt vevő ionok minden alkalommal, amikor találkoznak a lökéshullámmal, többletenergiát kapnak, sebességük minden egyes lépésben megnő, vagyis egyre nagyobb energiákra tesznek szert. A gyorsítási folyamat hatékonyságát a hullámok azon képessége határozza meg, hogy milyen hatékonyan képesek visszafordítani az „elcsavargott” ionokat a lökéshullám felé.

Az eddigi kutatások a merőleges és a párhuzamos lökéshullám fizikai folyamatait külön kezelték, ugyanis nem volt jele annak, hogy a földi lökéshullám távoli két oldalán lejátszódó folyamatok bármilyen módon befolyásolnák egymást. A Magyar Tudományos Akadémia kétoldali nemzetközi projektfelhívása nyomán létrejövő magyar–japán kutatócsoport tudományos programja pontosan ezt az eddig általánosan elfogadott tudományos paradigmát kérdőjelezte meg.

Egyedülálló eredmények és csúcstechnológia a magyar–japán együttműködésben

A magyar kutatók az ESA Cluster műholdas missziója által szolgáltatott mérési adatbázist használták a kutatáshoz. Olyan eseményeket kerestek, amelyeknél a földi merőleges lökéshullámról induló erős ionnyaláb volt megfigyelhető, és ezt összevetették ugyanazon eseményben a párhuzamos lökéshullám oldalán mérhető szórási hatékonysággal. Azt tapasztalták, hogy egy erős ionnyaláb által keltett hullámok alapvetően befolyásolják a párhuzamos oldalon észlelhető iongyorítás hatékonyságát, vagyis egy erős ionnyaláb esetén a párhuzamos lökéshullám iongyorsítási képessége számottevően megnövekszik. Ezt a jelenséget eddig még soha senki nem figyelte meg, és az új eredmény alapvetően változtathatja meg az elsőrendű Fermi-gyorsítási folyamat értelmezését és megértését.

Őrszemek a Föld határvidékén: a Cluster műholdak Forrás: ESA

A közös kutatásban részt vevő japán kutató csoport a műholdak által mért adatok alapján numerikus modellezéssel (vagyis számítógépes szimulációval) ellenőrizte az eredményeket. A japán kutatócsoport vezetője Shuichi Matsukiyo professzor volt, aki nemzetközileg elismert szaktekintély az űrplazma modellezésében. Az alkalmazott PIC (Particle in Cell, vagyis „részecske a dobozban”) technika magas programozási ismereteket és egyedülálló, komplex számítógépes kapacitást igényel. A szimulációt Japánban, a Kyushu Egyetemen hajtották végre. A numerikus modellezés eredményei teljesen igazolták a műholdas megfigyelések alapján kapott eredményeket.

„Közvetlen és egyértelmű bizonyítékot találtunk arra, hogy a különállónak tekintett fizikai folyamatok között szorosabb a kapcsolat, mint ahogy azt eddig gondoltuk. Vagyis leegyszerűsítve: minden mindennel összefügg a Föld környezetében – mondta el dr. Kis Árpád tudományos főmunkatárs, a kutatásban részt vevő magyar csapat vezető kutatója. – Hihetetlen érzés volt azt látni, hogy a műholdakról származó eredmények szinte hajszálpontosan egyeznek a számítógépes modellezésből származó eredményekkel. Ilyen nagyfokú egyezést nem is reméltünk.”

A kutatás eredményeit a nagy presztízsű Astrophysical Journalban, cikksorozat (1, 2) formájában ismertették a programban részt vevő kutatók.

További információ

Kis Árpád tudományos főmunkatárs, MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont, Geodéziai és Geofizikai Intézet, Sopron