Untuk pertama kalinya, fisikawan telah mengkonfirmasi gelombang misterius yang disebabkan oleh cahaya utara

Salah satu pemandangan paling menakjubkan yang dapat ditawarkan langit kita adalah cahaya menari dari cahaya utara. Namun, fenomena menarik ini masih belum sepenuhnya dipahami.

Kita tahu bahwa itu disebabkan oleh partikel yang disuntikkan Badai matahari, dipercepat di sepanjang garis medan magnet bumi ke lintang yang lebih tinggi, di mana mereka menghujani atmosfer bagian atas. Di sana, interaksi dengan partikel di atmosfer menciptakan tirai cahaya yang berkilauan di langit.

Para ilmuwan kini telah mendemonstrasikan dan mengkonfirmasi mekanisme percepatan partikel untuk pertama kalinya – dengan mensimulasikan proses di laboratorium. Seperti yang diperkirakan para ilmuwan, gelombang elektromagnetik kuat yang dikenal sebagai gelombang Alfven mempercepat elektron di sepanjang garis medan magnet.

“Gagasan bahwa gelombang ini dapat membangkitkan elektron yang menciptakan cahaya utara sudah ada sejak lebih dari empat dekade, tetapi ini adalah pertama kalinya kami dapat mengkonfirmasi secara pasti bahwa itu berhasil.” kata fisikawan Craig Kletzing Universitas Iowa.

“Eksperimen ini memungkinkan kita membuat pengukuran paling penting yang menunjukkan bahwa pengukuran dan teori ruang memang menjelaskan cara penting di mana aurora tercipta.”

(Austin Montelius, Sekolah Tinggi Seni dan Ilmu Pengetahuan Liberal, Universitas Iowa)

Kami sudah lama mengenal ombak Alfvén. Mereka pertama kali dijelaskan pada tahun 1942 oleh insinyur listrik Swedia Hannes Alfén – gelombang transversal dalam cairan listrik yang merambat di sepanjang garis medan magnet. Gelombang tersebut merupakan mekanisme penting untuk mengangkut energi dan momentum dalam magnetohidrodinamika Sistem; yaitu, mereka dapat mempercepat partikel.

Gelombang Alfvén telah diamati di garis medan magnet Bumi, dan pesawat ruang angkasa bahkan telah mengamati gelombang Alfvén yang diarahkan ke Bumi di atas aurora. ini diterima secara luas bahwa gelombang Alfén berperan dalam percepatan aurora – tetapi menentukan peran yang tepat agak sulit.

Misalnya, tim ilmuwan yang dipimpin oleh fisikawan Jim Schroeder dari Wheaton College menggunakan Perangkat Plasma Besar (LAPD) di University of California Los Angeles untuk melihat lebih dekat fenomena tersebut. Ini adalah ruang vakum silinder dengan panjang 20 meter (66 kaki) dan diameter 1 meter (3,3 kaki) dengan medan magnet yang kuat.

LAPD. (Fasilitas Sains Plasma Dasar / UCLA)

“Eksperimen yang menantang ini membutuhkan pengukuran populasi elektron yang sangat kecil, yang bergerak melalui ruang LAPD dengan kecepatan yang hampir sama dengan gelombang Alfven dan yang membentuk kurang dari satu dalam seribu elektron dalam plasma.” kata fisikawan Troy Carter dari UCLA.

Tim menghasilkan gelombang Alfvén dalam plasma di LAPD dan pada saat yang sama mengukur distribusi kecepatan elektron dalam kondisi yang relevan untuk pembentukan aurora. Mereka menemukan bahwa gelombang Alfvén mentransfer energi ke elektron yang beresonansi dengan gelombang – kecepatan yang mirip dengan kecepatan fase gelombang.

“Pengukuran telah menunjukkan bahwa populasi elektron kecil ini mengalami ‘percepatan resonansi’ karena medan listrik gelombang Alfvén, mirip dengan peselancar yang menangkap gelombang dan terus dipercepat ketika peselancar bergerak dengan gelombang.” kata fisikawan Greg Howes Universitas Iowa.

Proses ini dikenal sebagai redaman Landau, karena transfer energi dari gelombang ke partikel meredam gelombang, yang pada gilirannya mencegah terjadinya ketidakstabilan. Menurut analisis tim, tanda yang dihasilkan oleh kecepatan elektron adalah tanda terkenal untuk redaman Landau, menunjukkan bahwa percepatan resonansi telah terjadi.

Dengan kemudian membandingkan hasil mereka dengan model Aurora, tim dapat menunjukkan bahwa tingkat pasokan energi elektron sesuai dengan redaman Landau dalam kenyataan.

“Kesepakatan tingkat energi per elektron antara eksperimen dan model aurora”, para peneliti menulis, “membuat tautan terakhir yang diperlukan untuk menunjukkan bahwa kami secara eksperimental telah mengkonfirmasi secara langsung bahwa gelombang Alfvén dapat mempercepat elektron yang jatuh ke ionosfer dan menciptakan cahaya aurora yang mempesona.”

Studi ini dipublikasikan di Komunikasi alam.