Миссия ММS (НАСА) впервые непосредственно наблюдала магнитное пересоединение в магнитосфере Земли, возникающее при взаимодействии магнитных полей Земли и Солнца.

Солнце порождает летящий с огромной скоростью во все стороны поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром. В основном это электроны, протоны и ядра гелия (альфа-частицы). Астрофизики считают, что одним из механизмов ускорения этих частиц служит так называемое магнитное пересоединение, которое происходит, когда две сближающиеся противоположно направленные линии магнитного поля Солнца внезапно разрываются и соединяются друг с другом, образуя две петли, расходящиеся с огромной скоростью. При этом накопленная магнитная энергия переходит в кинетическую и тепловую энергию движущихся частиц, которые выбрасываются словно катапультой.

Конфигурация магнитных полей Солнца (желтые линии) и Земли. Прямоугольниками показаны области, в которых можно обнаружить магнитное пересоединение (Изображение НАСА).

Процесс магнитного пересоединения. Сплошные линии – магнитное поле, стрелки – направление их движения. На верхнем рисунке изображено сближение линий магнитного поля с противоположным направлением. На нижнем – расхождение образовавшихся петель после пересо

Художественное изображение космических аппаратов миссии MMS на фоне земной магнитосферы (Изображение НАСА).

Плазма солнечного ветра переносит «вмороженные» в нее линии магнитного поля Солнца, которое, достигнув Земли, вступает во взаимодействие с магнитным полем нашей планеты на границе магнитосферы. При этом также может происходить магнитное пересоединение. Это очень важный для нас процесс не только с физической точки зрения. Дело в том, что магнитное поле Земли создает барьер, который защищает нас от смертоносного потока заряженных частиц солнечного ветра. Магнитное поле отклоняет эти частицы, заставляя двигаться по спирали к полюсам планеты. Следствием этого становятся полярные сияния и магнитные бури. Магнитное пересоединение приводит к выделению энергии и разрыву линий магнитного поля, что ослабляет щит, позволяя заряженным частицам глубже проникать в околоземное пространство. Это может привести к различным проблемам, в частности, могут быть повреждены спутники и нанесен ущерб здоровью людей. 

Уже почти полвека исследователи пытаются изучать магнитное пересоединение в лабораторной и космической плазме и вот, наконец, в рамках миссии MMS (НАСА) впервые удалось непосредственно наблюдать, как это происходит в магнитосфере Земли. Об этом рассказывается в статье, опубликованной в журнале Science 12 мая 2016 года. 

Стартовавшая в марте 2015 года программа MMS (НАСА) включает четыре идентичных космических аппарата, расположенных в вершинах пирамиды на расстоянии всего лишь около 10 км друг от друга. 25 датчиков, размещенных на каждом спутнике, собирают каждые 30 миллисекунд информацию об электромагнитном поле и движении электронов, получая трехмерную картину происходящих процессов. Это обеспечивает самые точные измерения в истории исследований.

Сложность обнаружения магнитного пересоединения заключается в том, что оно происходит в ограниченной области пространства, и быстро летящие космические аппараты должны оказаться в нужное время в нужном месте. Впервые его удалось обнаружить 16 октября 2015 года. В течение всего нескольких секунд каждый аппарат произвел тысячи измерений. Это дало богатый материал для анализа. Впоследствии было зафиксировано еще пять подобных событий, в то время как MMS совершил более 4000 пересечений границ земной магнитосферы.

Миссия продолжает работу – предстоит найти ответы еще на множество вопросов. Например, выяснить, почему в одних случаях магнитное пересоединение носит взрывной характер, в других – стационарный (равномерный), а в третьих вообще не происходит.

Физики ожидают, что исследования магнитосферы помогут понять и другие астрофизические явления, сопровождающиеся выбросом частиц, в частности, наблюдаемые в магнетарах (нейтронных звездах с необычно сильным магнитным полем) и при образовании высокоэнергичных космических частиц, приходящих из других галактик. Не до конца еще поняты механизмы формирования солнечного ветра и солнечной активности. Разумеется, процессы в магнитном поле Земли имеют относительно низкую энергию, но их можно успешно экстраполировать на более энергичные системы. Зато магнитосфера Земли является отличной лабораторией, поскольку только здесь можно направить космический аппарат непосредственно через область, где происходит пересоединение.

Пока работа миссии MMS была сосредоточена только на солнечной стороне магнитосферы Земли. В дальнейшем, астрофизики планируют исследовать каплевидный хвост магнитосферы, который обращен в противоположную сторону от Солнца.

По материалам НАСА