Обзор моделирования и волновой активности в форшоке и магнитослое.
а , Цветовая карта флуктуаций напряженности магнитного поля в плоскости моделирования в момент времени t = 500 с от начала моделирования. Мы вычитаем < B > 50 с , что является средним значением величины поля за 50 с, из B , чтобы выявить флуктуации величины магнитного поля. Черная кривая показывает приблизительное положение магнитопаузы. Черные стрелки показывают направление ММП, а фиолетовые стрелки показывают направление нормали к скачку уплотнения n скачок в двух положениях вдоль носового скачка уплотнения.
б, PSD флуктуаций полного магнитного поля в трех точках, отмеченных цветными кружками на a .
c , PSD флуктуаций магнитного поля, параллельных и перпендикулярных среднему магнитному полю в месте расположения виртуального КА в магнитослое. Перпендикулярные направления определены таким образом, что B ⊥1 лежит в плоскости моделирования ( x –y ), а B ⊥2 завершает правый набор.
Авторы и права: Физика природы (2022 г.). DOI: 10.1038/s41567-022-01837-z

Ударные волны возникают в воздухе, когда самолет движется со скоростью, превышающей скорость звука, а также возникают в плазме (четвертое состояние вещества, составляющее 99% видимой Вселенной) в космосе. Считается, что ударные волны ускоряют частицы в сверхновых (взрывах звезд) и в джетах, выбрасываемых далеко в космос черными дырами.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, международная исследовательская группа изучила магнитные волны, возникающие перед толчком Земли (ударом в носовой части), известными как форшоковые волны. Они создаются частицами, отскакивающими от ударной волны и возвращающимися к солнцу.

Они использовали компьютерную модель Vlasiator для имитации физических процессов, участвующих в передаче этих волн, обнаружив волны по другую сторону ударной волны с почти такими же свойствами, как и у форшоковой волны. Затем они подтвердили наличие этих волн, используя данные наблюдений миссии NASA Magnetospheric Multiscale (MMS).

Соавтор д-р Даниэль Вершарен (Лаборатория космических исследований Малларда Калифорнийского университета), который обладает ведущим мировым опытом в области анализа плазменных волн и чей код использовался для интерпретации данных MMS, сказал: «Ударные волны в плазме гораздо труднее понять, чем когда они происходят в воздухе. Между частицами много пространства, и столкновения между ними редки».

«Однако это универсальный процесс, происходящий во всей Вселенной. Мы не можем отправить космический корабль к сверхновой, поэтому нам повезло, что мы можем изучать плазменные ударные волны в нашем собственном космическом окружении».

С 1970-х годов ученые-космонавты предполагали, что магнитные волны могут пройти через ударную волну и войти в нашу магнитосферу. Доказательства этого исходят от магнитометров, обнаруживающих колебания магнитного поля Земли в тот же период, что и те волны, которые формируются перед магнитосферой Земли.

Однако на их пути лежит несколько серьезных препятствий: сначала волны должны пересечь ударную волну, которая замедляет солнечный ветер, прежде чем он столкнется с магнитным полем Земли на сверхзвуковой скорости, затем пересечь турбулентную область пространства (магнитооболочку), прежде чем, наконец, войти в Магнитосферу Земли.

Ведущий автор, доктор Люсиль Турк из Хельсинкского университета, сказала: «Сначала мы думали, что первоначальная теория, предложенная в 1970-х годах, была верна: волны могли пересекать скачок без изменений, но эта теория не могла согласоваться, поэтому мы продолжили расследование.

«В конце концов стало ясно, что все гораздо сложнее, чем казалось. Волны, которые мы видели за ударом, были не такими, как в форшоке, а новыми волнами, созданными при ударе периодическим воздействием волн форшока».

Численная модель также указывала, что эти волны могут быть обнаружены только в узкой области позади ударной волны и что они могут быть легко скрыты турбулентностью в этой области. Это, вероятно, объясняет, почему они не наблюдались раньше.

Хотя волны, возникающие в результате форшока, играют лишь ограниченную роль в космической погоде на Земле, они имеют большое значение для понимания фундаментальной физики нашей Вселенной.