Da Merkur unter den Planeten des Sonnensystems der sonnennächste Planet ist, wird er stark vom Sonnenwind beeinflusst, einem schnellen (mehrere hundert km/s) Plasmastrom, der von der Sonne weht. Erkundungen des Merkur wurden erstmals 1974 und 1975 von der Raumsonde Mariner 10 durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Merkur ein Magnetfeld und damit eine Magnetosphäre besitzt, die der der Erde ähnelt.
In den 2000er Jahren lieferte die Raumsonde MESSENGER ein detailliertes Bild des Magnetfelds und der Magnetosphäre des Merkur und enthüllte, dass das Magnetfeldzentrum des Merkur vom Zentrum des Planeten um etwa 0,2 RM nach Norden verschoben ist (RM ist der Radius des Merkur von 2.439,7 km). Die dritte Erforschung des Merkur wird derzeit vom BepiColombo International Mercury Exploration Project dank der Raumsonde Mio (Projektwissenschaftler Dr. Murakami) und dem Mercury Planetary Orbiter (MPO) durchgeführt.
Insbesondere ist die Raumsonde Mio im Gegensatz zu Mariner 10 und MESSENGER mit einer vollständigen Suite von Plasmawelleninstrumenten (PWI, Hauptforscher Prof. Kasaba) ausgestattet, die speziell für die erstmalige Untersuchung der elektromagnetischen Umgebung um Merkur entwickelt wurden. Elektromagnetische Wellen können Plasmateilchen (Elektronen, Protonen, schwerere Ionen) effizient beschleunigen; Als solche spielen sie eine wichtige Rolle in der magnetosphärischen Dynamik des Merkur.
Die vorliegende Studie wurde von einem internationalen gemeinsamen Forschungsteam bestehend aus Wissenschaftlern der Universität Kanazawa, der Universität Tohoku, der Universität Kyoto, der MagneDesign Corporation, dem Laboratoire de Physique des Plasmas, Frankreich, mit Unterstützung von CNES (französische Raumfahrtagentur) und dem Institut für Raumfahrt und Raumfahrt durchgeführt Astronautische Wissenschaft, die Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA).
Die am 20. Oktober 2018 gestartete Raumsonde Mio ist derzeit auf dem Weg zum Merkur. Der endgültige Einsatz in der Umlaufbahn um den Planeten ist für Dezember 2025 geplant. Obwohl es aufgrund der starken Schwerkraft technisch äußerst schwierig ist, Mio in die Umlaufbahn des Merkur zu bringen Da es sich im Vergleich zu Merkur um eine kleinere Sonne handelt, soll es im Jahr 2025 nach mehreren Vorbeiflügen an Erde, Venus und Merkur zur Unterstützung der Schwerkraft in die Umlaufbahn um Merkur eintreten.
Bei den Vorbeiflügen am Merkur am 1. Oktober 2021 und 23. Juni 2022 hatte sich die Raumsonde Mio dem Planeten in einer Höhe von etwa 200 km genähert. Die verstaute Konfiguration der Raumsonde während der Reise zum Merkur ist für die Messung elektromagnetischer Wellen aufgrund der vom Raumschiff selbst ausgehenden Störgeräusche nicht optimal.
Das Mio-Raumschiff wurde jedoch entwickelt, um seinen elektromagnetischen Geräuschpegel so weit wie möglich zu senken, und wurde daher durch EMV-Tests als elektromagnetisch sauberes Raumschiff zertifiziert.
Wechselstrom-Magnetfeldsensoren, die mit der sengenden Umgebung des Merkur zurechtkommen, wurden gemeinsam von Japan und Frankreich entwickelt und ermöglichten die ersten Beobachtungen elektromagnetischer Wellen rund um Merkur, ohne durch den Lärm des Raumfahrzeugs selbst verunreinigt zu werden. Dies hat die lokale Erzeugung von Choruswellen aufgedeckt, wie sie beispielsweise häufig in der Magnetosphäre der Erde nachgewiesen werden.
Die nun bestätigte Existenz von Chorwellen in der Magnetosphäre von Merkur wurde bereits seit den 2000er Jahren vorhergesagt (Frequenzbereich, Intensität usw.), als das Plasmawelleninstrument (PWI) der Raumsonde Mio entworfen wurde. Was das internationale gemeinsame Forschungsteam, zu dem auch Dr. Ozaki von der Universität Kanazawa gehörte, am meisten überraschte, war die „räumliche Lokalität“ der Chorwellen, die während der beiden Vorbeiflüge nur in einem äußerst begrenzten Bereich im Morgendämmerungssektor der Magnetosphäre des Merkur entdeckt wurden.
Dies bedeutet, dass es einen physikalischen Mechanismus gibt, der dazu neigt, Chorwellen nur im Morgendämmerungssektor der Magnetosphäre von Merkur zu erzeugen. Um die Ursache für die Entstehung von Chorwellen im Morgengrauen zu untersuchen, nutzte das internationale gemeinsame Forschungsteam die von Prof. Omura von der Universität Kyoto aufgestellte nichtlineare Wachstumstheorie von Chorwellen, um den Effekt der Krümmung des Magnetfelds von zu bewerten Merkur, der durch den Sonnenwind stark verzerrt wird.
Die magnetischen Feldlinien im Nachtsektor werden durch den Sonnenwinddruck gedehnt, während die magnetischen Feldlinien im Morgendämmerungssektor weniger beeinflusst werden, was zu einer geringeren Krümmung führt. Basierend auf den Eigenschaften der magnetischen Feldlinien und der Theorie des nichtlinearen Wachstums zeigt sich, dass im Morgendämmerungssektor Energie effizient von Elektronen auf elektromagnetische Wellen entlang magnetischer Feldlinien übertragen wird, wodurch Bedingungen geschaffen werden, die die Erzeugung von Chorwellen begünstigen.
Der Effekt wird auch in einer numerischen Simulation der Merkurumgebung mithilfe eines Hochleistungscomputers bestätigt. In dieser Studie hat das Team dank einer starken Synergie zwischen „Raumfahrzeugbeobachtung“, „Theorie“ und „Simulation“ die Bedeutung der planetaren Magnetfeldlinien, die stark vom Sonnenwind beeinflusst werden, für den Ort der Erzeugung von Chorwellen aufgezeigt .“
Zukunftsaussichten
Bei den Vorbeiflugbeobachtungen am Merkur bereitete sich das Team auf die umfassende elektromagnetische Umweltuntersuchung mit der geplanten Raumsonde Mio im Orbit um Merkur vor. Chorwellen, deren Entdeckung zum Zeitpunkt der Planung erwartet wurde, werden recht lokal beobachtet, nämlich im Morgendämmerungssektor von Merkur, was nicht erwartet wurde, und die Ergebnisse zeigen verschiedene Schwankungen in der Magnetosphäre von Merkur.
Die Daten belegen die Existenz energiereicher Elektronen auf Merkur, die Chorwellen erzeugen können, die Möglichkeit der Erzeugung aktiver Elektronen, die durch Chorwellen effizient beschleunigt werden, und die Erzeugung von Röntgenpolarlichtern durch angetriebene Elektronen, die gewaltsam aus der Magnetosphäre des Merkur auf die Oberfläche des Merkur niederschlagen Chorwellen. Diese Beobachtungen werden weitreichende Auswirkungen auf das wissenschaftliche Verständnis der Merkurumgebung haben.
Die Raumsonde Mio ist auf dem Weg zu einer umfassenden Erkundung des Merkur. Basierend auf Vorbeiflugbeobachtungen haben wir herausgefunden, dass die Magnetfeldverzerrung für die lokale Erzeugung der Chorwellen (z. B. im Morgendämmerungssektor) verantwortlich ist. Die umfassende Erforschung der elektromagnetischen Umgebung durch die Raumsonde Mio in der Umlaufbahn des Merkur wird nicht nur zum Verständnis der Plasmaumgebung der gesamten Magnetosphäre des Merkur beitragen, sondern auch zu einem tiefgreifenden Verständnis der magnetosphärischen Dynamik im Allgemeinen.
Die Magnetosphäre fungiert als Barriere, die lebensbedrohliche kosmische Strahlung auf den Planeten des Sonnensystems verhindert. Der Vergleich der Daten von Merkur und Erde wird unser Verständnis dieser wichtigen natürlichen Abschirmung unseres Heimatplaneten stärken.
Der Papier wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturastronomie.
Mehr Informationen:
Mitsunori Ozaki et al., Whistler-Mode-Wellen in der Magnetosphäre von Merkur, beobachtet von BepiColombo/Mio, Naturastronomie (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-02055-0