Wetenschappers gebruiken röntgenstraling voor het op afstand meten van magnetische reconnection in de ruimte nabij de aarde
De magnetosfeer, gevormd door het magnetische veld van de aarde, fungeert als een beschermend schild dat de zonnewind afbuigt – de stroom van geladen deeltjes die voortdurend van de zon naar onze planeet stroomt. Deze magnetische barrière beschermt onze atmosfeer en de technologie waarop we steeds meer vertrouwen in de nabijheid van de aarde, zoals communicatiesatellieten.
De magnetosfeer is echter niet ondoordringbaar. Een fundamenteel proces, genaamd “magnetische reconnectie”, kan deze barrière tijdelijk verzwakken tijdens intense zonnewind en gewelddadige energiefluctuaties in de nabijheid van de aarde veroorzaken. Naarmate menselijke activiteiten in deze regio toenemen, wordt het begrijpen en voorspellen van dergelijk ruimteweer cruciaal.
Een sleutel tot het begrijpen van deze doorbraken ligt in het meten van wat bekend staat als de “reconnectiesnelheid”, die de energie-efficiëntie in magnetische reconnectieprocessen kwantificeert. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd deze snelheid te meten met verschillende methoden, waaronder ruimteschepen die rechtstreeks door reconnectiegebieden vliegen en observaties van zonnevlammen via afstandsbeelden.
Deze traditionele benaderingen bieden echter slechts lokale momentopnames van het magnetische reconnectieproces of zijn beperkt door specifieke, vaak onzekere voorwaarden. Het verkrijgen van een uitgebreid en consistent beeld dat de kloof tussen lokale en globale reconnectiesnelheden overbrugt, blijft een uitdaging.
Tegen deze achtergrond test een onderzoeksteam onder leiding van Docent Yosuke Matsumoto van het Institute for Advanced Academic Research aan de Chiba Universiteit in Japan, een innovatieve aanpak met behulp van zachte röntgenbeelden om de reconnectiesnelheden te meten. De studie, medeondertekend door de heer Ryota Momose van de Chiba Universiteit en prof. Yoshizumi Miyoshi van de Nagoya Universiteit, werd op 23 juni 2025 online beschikbaar gesteld en gepubliceerd in Volume 52, Issue 12 van het tijdschrift Geophysical Research Letters op 28 juni 2025.
Zachte röntgenemissie vindt plaats via een wisselwerkingsproces tussen de zware ionen in de zonnewind en de waterstofneutrale atomen die van de aarde afkomstig zijn. In deze studie stellen de onderzoekers voor om gebruik te maken van de zachte röntgenstraling die van nature wordt uitgezonden wanneer zonnewinddeeltjes interageren met de grenzen van de magnetosfeer, om op afstand reconnectiesnelheden te meten over veel grotere gebieden dan voorheen mogelijk was.
Het team voerde geavanceerde computersimulaties uit op de Fugaku-supercomputer, waarbij ze hoge-resolutie globale magnetohydrodynamische simulaties van de magnetosfeer van de aarde combineerden met een model voor zachte röntgenemissie. Uit de simulaties analyseerden ze hoe röntgenstraling gerelateerd aan reconnectie vanuit een satelliet op de afstand van de maan kan worden waargenomen tijdens intense zonnewindomstandigheden.
Na analyse van de simulatie resultaten ontdekten de onderzoekers dat de helderste röntgenemissies duidelijke cusp-vormige patronen vormen die direct de structuur van het magnetische veld rond reconnectiegebieden weergeven. Door de openingshoek van deze heldere gebieden te meten, berekenden ze de globale reconnectiesnelheid op 0,13, wat nauw aansluit bij theoretische voorspellingen en eerdere laboratoriummetingen.
De resultaten tonen dus aan dat de geometrie van heldere röntgenkenmerken correleert met de reconnectiesnelheid, wat een nieuwe methode biedt om deze belangrijke parameter te schatten. “Het in beeld brengen van röntgenstralen van de zon-rijke magnetosferische grens kan nu potentieel de energie-inlaat van de zonnewind in de magnetosfeer kwantificeren, waardoor röntgenstralen een nieuw diagnostisch hulpmiddel voor ruimteweer worden,” benadrukt Dr. Matsumoto.
Door een nieuwe manier te bieden om magnetische reconnectie te meten en te begrijpen, draagt dit onderzoek direct bij aan het verbeteren van voorspellingen van ruimteweer. Het vermogen om te voorspellen hoe zonneactiviteit de nabij-Earth ruimte beïnvloedt, is van vitaal belang voor het beschermen van astronauten en het waarborgen van de betrouwbaarheid van communicatiesystemen en ruimte-missies, vooral in het licht van potentieel verwoestende gebeurtenissen zoals magnetische stormen.
Dit onderzoek heeft ook bredere wetenschappelijke implicaties voor het begrijpen van magnetische reconnectie in andere contexten. Zoals Dr. Matsumoto uitlegt: “Magnetische reconnectie is niet alleen verantwoordelijk voor het doorbreken van het magnetische schild van de aarde, maar is ook het onderliggende proces achter explosieve gebeurtenissen in plasmaprocessen, de zon en zwarte gaten. Het begrijpen van dit proces is essentieel voor de vooruitgang van technologieën zoals plasma-opsluiting in fusie-reactoren en het onderzoeken van de oorsprong van hoog-energie kosmische straling.”
Terwijl de mensheid zich voorbereidt op een tijdperk van ruimteverkenning en commerciële ruimteactiviteiten, kan deze nieuw voorgestelde methode de weg effenen voor nauwkeurige voorspellingen van ruimteweer, wat helpt om de veiligheid en het succes van onze ondernemingen buiten de atmosfeer van de aarde te waarborgen.
