ידענים: כדור הארץ

מאת 17 במאי 2016 אין תגובות

משימת MMS, המציינת שנה בחלל תיארה לראשונה מה קורה במפגש בין השדה המגנטי של כדור הארץ לבין השדה המגנטי של השמש
מערך לוויני MMS החוקרים את המגנטוספירה של כדור הארץ. איור: NASA/Goddard/Conceptual Image Lab

כמו חוקרי סופות השולחים חיישנים ללבו של הוריקן, כך הטיסה נאס"א ארבע חלליות דרך מערבולת בלתי נראית בחלל, שנקראת 'איחוי מחדש מגנטי' או 'צירוף מחדש מגנטי' (magnetic reconnection). איחוי מחדש מגנטי הוא אחד הכוחות המניעים העומדים מאחורי הקרינה בחלל, ולכן הוא גורם מפתח בלימוד סביבת החלל שלנו, בין היתר על מנת שנוכל להגן על החלליות והאסטרונאוטים הנשלחים לחלל.

בתוצאות החשובות הראשונות של MMS – המשימה המגנטוספרית של נאס"א (NASA's Magnetospheric Multiscale mission) – יש מבט ראשון על האינטראקציה בין השדה המגנטי של כדור הארץ לבין זה של השמש. הן מוצגות במאמר המתפרסם ממש בימים אלה (13.5.2016) בכתב העת המדעי היוקרתי Science. במאמר מתוארת התצפית הישירה והמפורטת הראשונה של איחוי מחדש מגנטי, המתרחש כאשר שני קווי שדה מגנטיים מנוגדים נשברים ומתחברים מחדש זה לזה תוך כדי שחרור כמויות עצומות של אנרגיה. המחקר מראה כי איחוי מחדש מגנטי נשלט על ידי פיזיקה של אלקטרונים, ובכך הוא מספק מידע חיוני על תהליך בסיסי זה בטבע. את המחקר ערכו פיזיקאים מאוניברסיטת מרילנד.

אף שהחלל הוא ואקום טוב יותר מכל ואקום שאפשר ליצור על פני כדור הארץ, הוא בכל זאת מכיל חלקיקים והוא שוקק פעילות – יש בו מערכת מורכבת של שדות מגנטיים ואנרגיה. רוב האנשים אינם מקדישים מחשבה רבה לשדה המגנטי של כדור הארץ אף על פי שהוא הכרחי לחיינו כמו אוויר, מים ואור שמש. השדה המגנטי מספק מחסום בלתי נראה אך חיוני, המגן על כדור הארץ מ'רוח השמש': משבים של חלקיקים טעונים, שהשדה המגנטי של השמש מזרים החוצה מהשכבות החיצוניות של השמש.

האינטראקציה בין שני השדות המגנטיים האלה – של כדור הארץ ושל השמש – יכולה לייצר סופות בחלל סמוך לכדור הארץ, אשר יש בכוחן לנטרל לוויינים ולהוביל לבעיות רבות כאן על פני כדור הארץ, למרות קווי ההגנה שמציע השדה המגנטי של כדור הארץ. לפעמים, כאשר שני מערכים של שדות מגנטיים מתחברים, מתרחשת תגובת נפץ: כאשר השדות המגנטיים מתיישרים מחדש וננעלים במערך החדש שלהם – הם שולחים סילונים של חלקיקים ואנרגיה.
ההשפעות של שחרור פתאומי זה של חלקיקים ואנרגיה – כגון התפרצויות ענקיות על השמש, זוהר הקטבים, סופות קרינה בחלל הקרוב לכדור הארץ, חלקיקים קוסמיים בעלי אנרגיה גבוהה שמגיעים מגלקסיות אחרות – כל אלה נצפו ברחבי מערכת השמש ומעבר לה. אבל מעולם לא היינו עדים ישירים לתופעה של איחוי מחדש מגנטי. לוויינים אמנם הבחינו בחלקיקים המאיצים במהירות, אבל לא בגורם המניע עצמו – ממש כמו לראות את כל השברים והפסולת שמתעופפים בגלל הוריקן, אבל לא לראות את הסופה עצמה.

"המשימה שפיתחנו, נותנת לנו זו הפעם הראשונה את הדיוק הדרוש כדי לאסוף תצפיות מלב האיחוי המגנטי," אמר ג'ים ברץ' (Burch) החוקר הראשי של משימת MMS במכון המחקר הדרום מערבי בסאן אנטוניו בטקסס והמחבר הראשון של המאמר. "קיבלנו תוצאות מהר יותר ממה שיכולנו לצפות. כשראינו את האיחוי המגנטי בפעולה, ראינו את אחד הכוחות היסודיים של הטבע."

MMS כולל ארבע חלליות זהות שהושקו במרץ 2015. הן מעופפות במרחק 10 קילומטרים זו מזו בקצה השדה המגנטי של כדור הארץ במערך של פירמידה – כדי שיוכלו ליצור מפה תלת-ממדית מלאה של כל התופעות שבהן הן נתקלות. ב-16 באוקטובר 2015 עבר מערך ה-MMS ישירות דרך אירוע של איחוי מחדש מגנטי בגבול שבו השדה המגנטי של כדור הארץ מתנגש בשדה המגנטי של השמש. בתוך כמה שניות, 25 חיישנים על כל אחת מהחלליות אספו אלפי תצפיות. מערך החלליות מספק הדמיה של האלקטרונים בתוך הפירמידה אחת ל-30 אלפיות שנייה. רמת הפירוט המדהימה של הנתונים מאפשרת לראות דברים שהיו בעבר מטושטשים, מכיוון שהתמונות שהתקבלו לפני משימת ה-MMS היו במרווח זמן של שלוש שניות – קצב אטי פי 100, ולראות באמצעותן איחוי מחדש היה בלתי אפשרי.

קצב חסר תקדים זה אפשר למדענים לעקוב טוב יותר מאי-פעם אחרי הישתנות השדות המגנטיים והחשמליים וגם אחרי השינויים במהירויות ובכיוון של החלקיקים הטעונים השונים. רק לבחון את תופעת האיחוי מחדש בפירוט הוא ציון דרך חשוב. אבל המטרה העיקרית של משימת MMS היא לקבוע כיצד קווי השדה המגנטי נשברים במהירות – דבר שמאפשר התרחשות של האיחוי מחדש ושחרור האנרגיה שבעקבותיו. מדידת התנהגות האלקטרונים באירוע האיחוי תאפשר לתאר תיאור מדויק יותר של התהליך שבו הוא מתבצע, ובמיוחד יהיה אפשר לבדוק אם הוא מתרחש בתהליך נקי ומסודר או בתוך מערבולת סוערת של אנרגיה ושל חלקיקים.

מתברר שהמדע שבבסיס האיחוי מחדש הוא אלקטרומגנטיות בסיסית פשוטה, שהיא אחד מכוחות היסוד ביקום בדומה לכבידה שעל פני כדור הארץ. אפשר לראות בכל קבוצה של שדות מגנטיים שורה של קווים. קווי השדה האלה תמיד מעוגנים לגוף כלשהו – כוכב לכת, כוכב – ויוצרים רשת מגנטית ענקית המקיפה אותו. איחוי מחדש מגנטי מתרחש קרוב מאוד לגבול שבין שתי רשתות כאלה.

תארו לעצמכם שורות של קווי שדה מגנטי הנעות זו מול זו בגבול כזה (חלליותMMS , למשל, נעות בגבול שבו השדות המגנטיים של כדור הארץ פוגשים את אלה של השמש). לפעמים כיווניהם של קווי השדה זהים ואין להם השפעה רבה זה על זה, כמו שני זרמי מים הזורמים זה לצד זה. אבל במצב שבו כיווניהם של קווי השדה בשתי הקבוצות מנוגדים, תהליך ההיערכות מחדש שלהם יכול להיות דרמטי עד כדי פיצוץ – חלקיקים פורצים במהירות קרובה למהירות האור. אבל מנגד – התהליך גם יכול להיות אטי ויציב.

"אחת התעלומות של איחוי מחדש מגנטי היא מדוע מדובר בריאקציה שהיא נפיצה במקרים מסוימים ויציבה באחרים, ובחלק מהמקרים אינה מתרחשת כלל," אמר טום מור (Moore), מדען המשימה במרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א בגרינבלט, מרילנד. בכל מקרה – בתהליך נפיץ וגם בתהליך יציב – משתחררת כמות ענקית של אנרגיה והחלקיקים המקומיים נזרקים הרחק הרחק וחוצים גבולות מגנטיים שלא יכלו לעבור במצבים אחרים. בקצוות של המגנטוספירה של כדור הארץ, אירועים כאלה מאפשרים לקרינת השמש להיכנס לחלל הקרוב לארץ.

"ממדידות שנעשו על ידי לוויינים קודמים אנחנו יודעים שהשדות המגנטיים מתנהגים כמו 'רוגטקה', אבן קלע – שולחים את הפרוטונים המאיצים החוצה," אמר ברץ'. "תעלומה בת עשרות שנים היא מה עושים האלקטרונים ואיזה קשר נוצר בין שני השדות המגנטיים. המדידות הקודמות של אלקטרונים היו אטיות פי 100 – אטיות מכדי לדגום באזור האיחוי מחדש המגנטי."

המערך של MMS בודק מה קורה לאלקטרונים במהלך האיחוי. כאשר ארבע החלליות חצו את גבול המגנטוספירה באותו יום באוקטובר 2015, הן עברו ישירות דרך מה שנקרא 'אזור הפיזור', שבו התרחש האיחוי מחדש המגנטי. התצפיות הצליחו לעקוב אחר התזוזות הפתאומיות של השדות המגנטיים וגם אחרי החלקיקים המתרחקים.
האלקטרונים נורים מהאירוע המקורי בקווים ישרים במהירות של מאות קילומטרים בשנייה ומצליחים לחצות את הגבולות המגנטיים שבדרך כלל מסיטים אותם. לאחר חציית הגבול, סילוני החלקיקים נתקלים בשדות המגנטיים החדשים, מסלולם מתעקם בתגובה לכך והם עושים סיבוב פרסה. תצפיות אלה עולות בקנה אחד עם הדמיית המחשב 'מודל הסהר', שנקרא כך בשל צורות הסהר האופייניות שמראים הגרפים – מייצגים את המרחק שהאלקטרונים מגיעים אליו מעבר לגבול המגנטי לפני שהם מסתובבים שוב.

עוד תוצאה מפתיעה שנמצאה היא, שברגע שבו נוצר קשר בין קווי השדה המגנטי של השמש ושל כדור הארץ הסהרונים הסתובבו בפתאומיות, כך שהאלקטרונים זרמו לאורך קווי השדה. מצפייה בנתיבים של אלקטרונים אלה הצליח מערך ה- MMSלתצפת לראשונה בשבירה ואיחוי של שדות מגנטיים בחלל.

"מהנתונים עולה שהאיחוי מחדש המגנטי הוא תהליך מסודר ואלגנטי למדי," אמר מיכאל הסה (Hesse), מדען חלל בגודארד והראשון שפיתח את מודל הסהר. "לא נראה שיש מערבולות רבות, או לפחות לא מספיק כדי לשבש או לסבך את התהליך." צורת הסהר האופיינית של פיזור האלקטרונים מרמזת שההבנה כיצד קווי שדה מגנטיים מאיצים את החלקיקים טמונה בפיזיקת האלקטרונים.

"האלקטרונים נעים כך שנוצרים שדות חשמליים ואילו השדות החשמליים האלה מייצרים בתורם התפרצות של המרת אנרגיה מגנטית," אמר רוי טורברט (Torbert), מדען במרכז למדעי החלל באוניברסיטת ניו המפשייר בדורהאם ואחד ממחברי המאמר. "ההתנגשות שהמכשירים שלנו הצליחו למדוד סיפקה לנו תמונת מצב ברורה של שחרור אנרגיה בעת איחוי מחדש נפיץ ושל התפקיד שיש לפיזיקת האלקטרונים בתהליך."

עד כה טס המערך של MMS יותר מ-4,000 מטסים דרך גבולות המגנטוספירה של כדור הארץ, בכל פעם נאסף מידע על האופן שבו השדות המגנטיים והחלקיקים שבתוכם נעים. לאחר התצפית הישירה הראשונה של איחוי מחדש מגנטי, עברו ארבע החלליות דרך אירוע יסודי כזה עוד חמש פעמים וסיפקו מידע נוסף על התהליך.

תמונה ברורה יותר של הפיזיקה של איחוי מחדש גם תקדם אותנו צעד אחד קרוב יותר להבנת מזג האוויר בחלל, לרבות אם התפרצויות שמש וסערות מגנטיות מגיעות בעקבות דפוס כלשהו שאפשר לצפות אותו מראש, כמו מזג האוויר כאן על כדור הארץ. איחוי מחדש יכול גם לעזור למדענים להבין תופעות אסטרופיזיקליות אחרות אנרגטיות יותר כגון מגנטארים (magnetars), שהם כוכבי נייטרונים עם שדה מגנטי חזק בצורה יוצאת דופן.

"הבנת האיחוי מחדש רלוונטית למגוון שלם של שאלות מדעיות בפיזיקה של השמש ובאסטרופיזיקה," אמר מארק סוויסדאק (Swisdak), מדען עמית מחקר במכון של אוניברסיטת מרילנד לחקר אלקטרוניקה ופיזיקה יישומית. "באיחוי מחדש בשדה המגנטי של כדור ארץ יש אנרגיה נמוכה יחסית, אבל אנחנו יכולים לקבל תחושה טובה לגבי מה שיקרה אם נעשה אקסטרפולציה למערכות אנרגטיות יותר. קצה השדה המגנטי של כדור ארץ הוא מעבדת בדיקה מצוינת, מכיוון שזהו המקום היחיד שבו אנחנו יכולים להטיס חללית ישירות דרך אזור שבו מתרחש האיחוי".

נכון להיום, משימת MMS התמקדה רק בצד הפונה לשמש של השדה המגנטי של כדור הארץ. בעתיד, מערך החלליות אמור לטוס לצד השני לחקור את הזנב של השדה המגנטי – שיש לו צורה של טיפת דמעה – הפונה הרחק מהשמש.
ככל שהמשימה נמשכת, הצוות יכול להתאים את המבנה שבו טסות החלליות – לקרב אותן זו לזו ובכך לספק תצפית טובה יותר על נתיבי האלקטרונים, או להרחיק אותן זו מזו, ובכך לאפשר תצפיות טובות יותר על נתיבי הפרוטונים. כל קבוצה של תצפיות תורמת להסבר היבטים שונים של איחוי מחדש מגנטי. מידע כזה יסייע למדענים למפות את הפרטים של סביבת החלל שלנו – מידע חיוני אם מתכננים מסע רחוק מעבר לפלנטה שלנו.

להודעה של החוקרים באתר אוניברסיטת מרילנד

למאמר ב-Science

הוספת תגובה

  • (will not be published)