Aktualności

IDENTYFIKACJA MECHANIZMU TERMALIZACJI WIATRU SŁONECZNEGO I GRZANIA PLAZMY NA SZOKU MAGNETOSFERYCZNYM

Napływający z prędkością ~500 km/s wiatr słoneczny powoduje utworzenie się szoku/fali uderzeniowej (ang. bow shock) na czole magnetosfery, w odległości około 14 Re od środka Ziemi. Ta struktura bezzderzeniowo wyhamowuje cząsteczki wiatru powodując ich termalizację, tj. przekształcenie ruchu strumieniowego protonów i elektronów na ruch termiczny. Od odkrycia tej struktury magnetosferycznej w 1964 roku, zaproponowano i studiowano kilkadziesiąt potencjalnych mechanizmów grzania plazmy wiatru słonecznego, bez osiągnięcia do tej pory konsensusu odnośnie właściwego mechanizmu.

W dwóch pracach Krzysztof Stasiewicz udowadnia, że mechanizm termalizacji/grzania związany jest z dwiema niestabilnościami plazmowymi. Niestabilność dryfowa nisko-hybrydowa (lower-hybrid drift instability) spowodowana jest gradientem gęstości plazmy na szoku, a niestabilność dryfowa elektronowo-cyklotronowa (electron cyclotron drift instability) wywołana jest szybkim dryfem ExB elektronów. Niestabilności te generują silne pola elektryczne ~200 mV/m na skalach przestrzennych promienia cyklotronowego elektronów (~1 km), a gradienty pola wprowadzają chaos do ruchu cząstek wiatru słonecznego co powoduje ich stochastyczne grzanie.

Praca jest oparta na najnowszych danych z Magnetospheric Multiscale Mission (MMS) i zawiera m.in. pierwsze w świecie wyznaczenie dywergencji pola elektrycznego E w przestrzeni kosmicznej z wielopunktowych pomiarów satelitarnych. Została opublikowana w renomowanym czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Academy of Sciences, istniejącym w Anglii od 190 lat.

W drugiej pracy wykonanej razem z Bengtem Eliassonem (University of Strathclyde, Glasgow) dokonano też symulacji komputerowych, które potwierdzają w całości zaproponowany mechanizm grzania plazmy. Ta praca jest w druku w The Astrophysical Journal.

Zidentyfikowany w tych pracach mechanizm jest uniwersalny i powinien mieć zastosowanie do szoków plazmowych występujących m.in. w koronie słonecznej, przestrzeni międzyplanetarnej, supernowych i w innych obiektach astrofizycznych. Znaczenie tych publikacji podkreśla fakt, że nad próbami rozwiązania tego problemu pracowało kilkuset fizyków w ciągu ostatnich 56 lat, od odkrycia szoku magnetosferycznego.

[1] K. Stasiewicz, Stochastic ion and electron heating on drift instabilities at the bow shock, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2020, 496, L133-L137,
http://dx.doi.org/10.1093/mnrasl/slaa090

[2] K. Stasiewicz & B. Eliasson, Quasi-adiabatic and stochastic heating and particle acceleration at quasi-perpendicular shocks, 2020, The Astrophysical Journal, in press.
http://arxiv.org/abs/2009.05644