Магнитное поле Земли так же важно для поддержания жизни на планете, как воздух или вода. Оно служит барьером для солнечного ветра — потока мегаионизированных частиц, истекающих из солнечной короны в окружающее пространство со скоростью 300—1200 км/с. Однако, несмотря на эту защиту, взаимодействие магнитных полей Земли и Солнца может привести к возникновению в околоземном космическом пространстве сильных бурь, способных вывести из строя спутники и вызвать проблемы на поверхности планеты.
Новое исследование учёных их Мэрилендского университета (University of Maryland) проливает свет на «отношения» между магнитосферами нашей планеты и её родной звезды. Статья, опубликованная в журнале Science, описывает непосредственное наблюдение перезамыкания магнитных линий — процесса, при котором линии двух магнитных полей сталкиваются и быстро перестраиваются, выделяя огромное количество энергии. Данные об этом феномене удалось получить благодаря Многоуровневой миссии по изучению магнитосферы NASA (Magnetospheric Multiscale Mission, MMS).
«Представьте, что по разным путям навстречу друг другу движутся два поезда, и в последний момент их переводят на один путь, — объясняет Джеймс Дрейк (James Drake), один из авторов исследования. — Каждый путь олицетворяет магнитную силовую линию одного из двух магнитных полей, а перевод стрелок символизирует перезамыкание магнитных линий. Происходит крушение, и энергия выстреливает из точки перезамыкания, как из рогатки»
Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что перезамыкание магнитных линий является главной движущей силой вспышек на Солнце, корональных выбросов массы, магнитных бурь и аврор, наблюдаемых на северном и южном полюсах. Хотя учёные изучали перезамыкание в лаборатории и в космосе почти полвека, MMS впервые позволила им непосредственно наблюдать, как проходит этот процесс.
Многоуровневая миссия по изучению магнитосферы — это четыре идентичных спутника, образующие пирамиду на краю магнитного поля Земли. Космические аппараты, расположенные на расстоянии 10 км друг от друга собирают информацию о движении электронов каждые 30 миллисекунд с помощью 25 сенсоров. Для сравнения, предшественник MMS, система Cluster II, делала измерения только раз в 3 секунды — то есть, в сто раз реже. С момента запуска 13 марта 2015 года спутники MMS совершили более четырёх тысяч пролётов через границу магнитосферы и получили самые точные наблюдения перезамыкания за всю историю.
«Степень детализации позволяет видеть то, что раньше было размыто, — говорит Дрейк. — С трёхсекундным интервалом Cluster II зафиксировать перезамыкание магнитных линий было невозможно. Но качество данных MMS просто потрясающее». Просто наблюдать перезамыкание — уже большое достижение. Однако важная цель MMS — изучить этот процесс подробно и, в частности, понять, почему в некоторых случаях перезамыкание магнитных линий носит взрывной характер, в некоторых — равномерный, а порой вообще не происходит. «Многие десятилетия остаётся загадкой, как ведут себя электроны и как взаимодействуют два магнитных поля», — говорит ведущий исследователь миссии Джим Бёрч (Jim Burch).
Исследование физики перезамыкания приблизит учёных к пониманию космической погоды. Кроме того, изучение магнитного поля планеты поможет понять и другие астрофизические феномены, в том числе нейтронные звёзды с необычно сильным магнитным полем — магнетары. «Понимание перезамыкания имеет отношение к целому ряду научных вопросов в области физики Солнца и астрофизики», — подтверждает Марк Свисдак (Marc Swisdak), младший научный сотрудник Мэрилендского университета.