Röntgenstrahlen zur Überwachung des Weltraumwetters
Forschende aus Japan schlagen Bildgebung im weichen Röntgenbereich zur Fernmessung der Rekonnexionsrate vor, einem Schlüsselparameter bei der Umordnung im Erdmagnetfeld.
Magnetische Rekonnexion im erdnahen Weltraum kann bei starkem Sonnenwind die schützende Funktion der Erdmagnetosphäre vorübergehend ausschalten und die Kommunikations- und Energienetze gefährden. Daher ist das Verständnis und die Vorhersage eines solchen Weltraumwetters entscheidend. Ein Schlüssel zum Verständnis dieser Brüche liegt in der Messung der Rekonnexionsrate, die die Energieeffizienz der magnetischen Prozesse quantifiziert. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler versucht, diese Rate mit verschiedenen Methoden zu messen, unter anderem mit Raumsonden, die direkt durch Rekonnexionszonen fliegen, und mit Beobachtungen von Sonneneruptionen durch Fernaufnahmen. Diese traditionellen Ansätze liefern jedoch nur lokale Momentaufnahmen des magnetischen Wiederverbindungsprozesses oder sind durch spezifische, oft instabile Bedingungen begrenzt. Die Gewinnung eines umfassenden und konsistenten Bildes, das die Lücke zwischen lokalen und globalen Rekonnexionsraten schließt, bleibt eine Herausforderung.
Vor diesem Hintergrund testet ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Yosuke Matsumoto vom Institute for Advanced Academic Research der Universität Chiba, Japan, einen innovativen Ansatz zur Messung der Wiederverbindungsraten mit Hilfe von Röntgenaufnahmen. An der Arbeit beteiligt waren Ryota Momose von der Universität Chiba und Prof. Yoshizumi Miyoshi von der Universität Nagoya.
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Die Emission weicher Röntgenstrahlung entsteht durch einen Ladungsaustausch zwischen den schweren Ionen im Sonnenwind und den neutralen Wasserstoffatomen, die von der Erde stammen. In dieser Studie schlagen die Forscher vor, die weiche Röntgenstrahlung, die bei der Wechselwirkung von Sonnenwindteilchen mit den Grenzen der Magnetosphäre auf natürliche Weise entsteht, zu nutzen, um die Wiederverbindungsraten in viel größeren Regionen als bisher aus der Ferne zu messen.
Das Team führte fortschrittliche Computersimulationen auf dem Fugaku-Supercomputer durch und kombinierte hochauflösende globale magnetohydrodynamische Simulationen der Erdmagnetosphäre mit einem Modell der Emission weicher Röntgenstrahlen. Anhand der Simulationen analysierten sie, wie die mit der Rekonnexion zusammenhängende Röntgenstrahlung von einem Satelliten aus gesehen werden kann, der sich bei intensivem Sonnenwind in Mondnähe befindet. Dieser Blickwinkel entspricht in etwa dem eines zukünftigen Röntgenbildsatelliten wie GEO-X, der in naher Zukunft gestartet werden soll.
Nach der Analyse der Simulationsergebnisse stellten die Forscher fest, dass die hellsten Röntgenemissionen deutliche höckerförmige Muster bilden, die die Magnetfeldstruktur um die Wiederverbindungszonen direkt widerspiegeln. Durch die Messung des Öffnungswinkels dieser hellen Regionen berechneten sie die globale Wiederverbindungsrate mit einem Wert von 0,13, der gut mit theoretischen Vorhersagen und früheren Labormessungen übereinstimmt. Die Ergebnisse zeigen also, dass die Geometrie der hellen Röntgenmerkmale mit der Wiederverbindungsrate korreliert und bieten eine neue Methode zur Schätzung dieses wichtigen Parameters. „Die Abbildung von Röntgenstrahlen von der der Sonne zugewandten Grenze der Magnetosphäre kann nun potenziell den Energiezufluss des Sonnenwindes in die Magnetosphäre quantifizieren und macht Röntgenstrahlen zu einem neuartigen Instrument der Weltraumwetter-Diagnose“, betont Dr. Matsumoto.
Durch die Bereitstellung einer neuen Methode zur Messung und zum Verständnis der magnetischen Rekonnexion trägt diese Forschung direkt zur Verbesserung der Weltraumwettervorhersage bei. Vorhersagen darüber, wie die Sonnenaktivität den erdnahen Raum beeinflusst, sind für den Schutz von Astronauten und die Zuverlässigkeit von Kommunikationssystemen und Weltraummissionen von entscheidender Bedeutung, insbesondere angesichts potenziell verheerender Ereignisse wie Magnetstürme.
Dr. Matsumoto erklärt: „Die magnetische Rekonnexion ist nicht nur für die Durchbrechung des magnetischen Schildes der Erde verantwortlich, sondern ist auch der zugrunde liegende Prozess hinter explosiven Ereignissen in Plasmageräten, der Sonne und schwarzen Löchern. Das Verständnis dieses Prozesses ist wichtig, um Technologien wie den Plasmaeinschluss in Fusionsreaktoren voranzutreiben und den Ursprung der hochenergetischen kosmischen Strahlung zu erforschen.“ [Chiba U / dre]
