Quando a missão Magnetospheric Multiscale - ou MMS - da NASA foi lançada, os cientistas sabiam que ela responderia a questões fundamentais para a natureza de nosso universo - e o MMS não decepcionou. Uma nova descoberta, apresentado em um artigo em Nature Communications , fornece prova observacional de uma teoria de 50 anos e remodela o entendimento básico de um tipo de onda no espaço conhecida como onda cinética de Alfvén. Os resultados, que revelam inesperado, complexidades de pequena escala na onda, também são aplicáveis ​​a técnicas de fusão nuclear, que contam com a minimização da existência de tais ondas dentro do equipamento para reter o calor de forma eficiente.

Há muito se suspeita que as ondas cinéticas de Alfvén sejam transportadoras de energia em plasmas - um estado fundamental da matéria composta de partículas carregadas - em todo o universo. Mas não foi até agora, com a ajuda de MMS, que os cientistas foram capazes de dar uma olhada mais de perto na microfísica das ondas em escalas relativamente pequenas onde a transferência de energia realmente acontece.

"Esta é a primeira vez que conseguimos ver essa transferência de energia diretamente, "disse Dan Gershman, autor principal e cientista MMS no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, e a Universidade de Maryland em College Park. "Estamos vendo uma imagem mais detalhada das ondas de Alfvén do que qualquer um foi capaz de obter antes."

As ondas puderam ser estudadas em pequena escala pela primeira vez devido ao design exclusivo da espaçonave MMS. As quatro naves espaciais do MMS voam em uma formação de pirâmide 3-D compacta, com apenas quatro milhas entre eles - mais perto do que nunca e pequeno o suficiente para caber entre dois picos de onda. Ter várias espaçonaves permitiu aos cientistas medir detalhes precisos sobre a onda, como a velocidade com que se moveu e em que direção viajou.

Missões multi-espaçonaves anteriores voaram em separações muito maiores, o que não permitia que vissem as pequenas escalas - como tentar medir a espessura de um pedaço de papel com uma régua. Formação de vôo estreito do MMS, Contudo, permitiu que a espaçonave investigasse os comprimentos de onda mais curtos das ondas cinéticas de Alfvén, em vez de encobrir os efeitos de pequena escala.

"É apenas nessas escalas pequenas que as ondas são capazes de transferir energia, por isso é tão importante estudá-los, "Gershman disse.

À medida que as ondas cinéticas de Alfvén se movem através de um plasma, elétrons que viajam na velocidade certa ficam presos nos pontos fracos do campo magnético da onda. Como o campo é mais forte em ambos os lados desses pontos, os elétrons saltam para frente e para trás como se estivessem delimitados por duas paredes, no que é conhecido como um espelho magnético na onda. Como resultado, os elétrons não estão distribuídos uniformemente:algumas áreas têm uma densidade maior de elétrons, e outras bolsas ficam com menos elétrons. Outros elétrons, que viajam muito rápido ou muito devagar para pegar a onda, acabam passando energia para a frente e para trás com a onda enquanto eles manobram para acompanhá-la.

A capacidade da onda de capturar partículas foi prevista há mais de 50 anos, mas não havia sido capturada diretamente com essas medições abrangentes até agora. Os novos resultados também mostraram uma taxa de captura muito maior do que o esperado.

Este método de aprisionar partículas também tem aplicações na tecnologia de fusão nuclear. Os reatores nucleares usam campos magnéticos para confinar o plasma a fim de extrair energia. Os métodos atuais são altamente ineficientes, pois requerem grandes quantidades de energia para alimentar o campo magnético e manter o plasma quente. Os novos resultados podem oferecer uma melhor compreensão de um processo que transporta energia por meio de um plasma.

"Podemos produzir, com algum esforço, essas ondas no laboratório para estudar, mas a onda é muito menor do que no espaço, "disse Stewart Prager, cientista de plasma do Laboratório de Física do Plasma de Princeton, em Princeton, Nova Jersey. "No espaço, eles podem medir propriedades mais sutis que são difíceis de medir em laboratório. "

Este trabalho também pode nos ensinar mais sobre nosso sol. Alguns cientistas pensam que as ondas cinéticas de Alfvén são a chave para o modo como o vento solar - o derramamento constante de partículas solares que se espalham pelo espaço - é aquecido a temperaturas extremas. Os novos resultados fornecem uma visão sobre como esse processo pode funcionar.

Em todo o universo, ondas cinéticas Alfvén são onipresentes em ambientes magnéticos, e até se espera que estejam nos jatos extragalácticos de quasares. Ao estudar nosso ambiente próximo à Terra, As missões da NASA como MMS podem fazer uso de um único, laboratório próximo para compreender a física dos campos magnéticos em todo o universo.