Abhören der Schwingungen der magnetischen Blase der Erde

Aug 18, 2023

Der Weltraum ist nicht nur stilles Nichts. Es brummt vor geladenen Teilchen, die von der Sonne ausgestoßen und von Sonnenwinden mitgerissen werden. Böige und energiereiche Sonnenwinde können ultraniederfrequente Wellen entlang der magnetischen Feldlinien, die unseren Planeten umgeben, zum Zittern schicken – genau wie eine Harfensaite, wenn sie gezupft wird.

„Wir hoffen, dass die Weisheit der Menge in Kombination mit unserem hochentwickelten menschlichen Gehör uns dabei hilft, die Merkmale dieser Wellen zu erkennen.“

Diese eindringliche Melodie ist zu tief, als dass wir sie hören könnten, aber Forscher haben diese Geräusche in etwas Hörbares umgewandelt und bitten nun die Öffentlichkeit, mitzuhelfen, dem Lärm des Weltraums zu lauschen.

„Wir hoffen, dass die Weisheit der Menge in Kombination mit unserem hochentwickelten menschlichen Gehör uns dabei hilft, die Merkmale dieser Wellen zu erkennen“, sagte Martin Archer, Weltraumphysiker am Imperial College London und einer der Wissenschaftler hinter dem Projekt – Heliophysics Audified: Resonances in Plasmas (HARP).

Durch die Klassifizierung der verschiedenen Arten von Schwingungen hoffen die Forscher, ein besseres Bild davon zu bekommen, wie sie das Erdmagnetfeld beeinflussen.

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Atemberaubende Polarlichter, die über den Himmel in der Nähe der Pole tanzen, sind ein Beispiel dafür, wie von Sonnenwinden getragene Plasmaenergie mit dem Erdmagnetfeld oder der Magnetosphäre interagieren kann.

Wellen, die entstehen, wenn unsere Magnetosphäre von Sonnenwinden getroffen wird, erzeugen nicht nur farbenfrohe Lichtspiele, sondern tragen auch zu störendem Weltraumwetter bei, das eine Gefahr für Satelliten, Telekommunikation und Astronauten darstellen kann.

„Die Audioanalyse könnte unserem Verständnis von Plasmawellen eine neue Dimension hinzufügen.“

Die Charakterisierung von Plasmawellen könnte dazu beitragen, die Vorhersagen von Weltraumwettergefahren zu verbessern. Ihre Untersuchung hat sich jedoch in der Vergangenheit als Herausforderung erwiesen, da selbst Computer Schwierigkeiten haben, die vielen gleichzeitigen Schwingungen im Hintergrundrauschen des Weltraums herauszufiltern.

„Diese Plasmawellen sind wirklich kompliziert“, sagte Wen Li, ein Astronom an der Boston University, der nicht am HARP-Projekt beteiligt ist. „Selbst nach jahrzehntelanger Forschung haben wir immer noch viele Fragen zu ihrer Funktionsweise.“ Eine Unbekannte, die die Forscher erforschen wollen, ist, warum manche Plasmawellen stärker mit ihrer Weltraumumgebung interagieren als andere. „Die Audioanalyse könnte unserem Verständnis dieser Wellen eine neue Dimension hinzufügen“, sagte Li.

Um den Klang von Plasmawellen für menschliche Ohren zu verstärken, verwendeten die Forscher eine Technik namens Sonifikation, um jahrelange elektromagnetische Messungen zu beschleunigen, die im Rahmen der THEMIS-Mission (Time History of Events and Macroscale Interactions while Substorms) der NASA gesammelt wurden, bei der fünf Satelliten zum Flug durch die Erde eingesetzt wurden Magnetosphäre im Jahr 2007.

Bereits 2018 testete Archer eine kleine Version des Projekts mit Oberstufenschülern, die eine Reihe von Sonnenstürmen identifizierten, die in der Magnetosphäre der Erde widerhallten. Jeder Sturm klang wie ein lautes Knirschen, gefolgt von Pfiffen, die immer leiser wurden, während sich die Magnetfeldlinien neu anpassten. „Weltraumforscher hatten Geräusche wie diese bisher kaum diskutiert“, sagte Archer. Die Stürme „sprangen uns entgegen, als wir uns die Daten anhörten, waren aber in den Diagrammen leicht zu übersehen.“

Seit dieser Entdeckung hat das HARP-Team mit Unterstützung der NASA mit Klangexperten zusammengearbeitet, um eine Schnittstelle zu entwickeln, die es Menschen ermöglicht, die Wellenformen hervorzuheben und zu kommentieren. Die Forscher bitten Freiwillige, sich den Ton anzuhören und zu beschreiben, was sie hören – ob es sich beispielsweise um ein formloses statisches Geräusch oder einen reinen Ton handelt.

Das Ausleihen von Techniken, die von Musikern verwendet werden, sei für das Projekt von grundlegender Bedeutung, sagte Archer, der über Erfahrung im Radio und als DJ verfügt. „Mir kam der Gedanke, dass diese Daten möglicherweise besser zu unseren Ohren passen.“

„Das Hören dieser Wellen erweckt sie wirklich zum Leben“, sagte David Sibeck, Heliophysiker am Goddard Space Flight Center der NASA und THEMIS-Missionswissenschaftler, der nicht am HARP-Projekt beteiligt ist. Die riesige Datenmenge, die von der Mission gesammelt wurde, sei für Wissenschaftler eine Herausforderung gewesen, sie selbst zu analysieren, sagte Sibeck.

Abgesehen davon, dass es eine Möglichkeit ist, die Öffentlichkeit in weltraumwissenschaftliche Bestrebungen einzubeziehen, bringt die Aufforderung an die Leute, sich die Daten anzuhören, auch wissenschaftliche Vorteile. Menschen sind hervorragend darin, konkurrierende Geräusche zu entwirren, selbst vor Hintergrundgeräuschen, erklärte Archer. „Nehmen Sie unsere Fähigkeit, Gespräche auf einer Cocktailparty herauszufiltern.“

Eines der Ziele des Teams ist es, die Eigenschaften jeder Plasmawelle zu identifizieren. Genau wie die Saiten einer Harfe schwingt jede Welle unterschiedlich mit und interagiert mit dem sie umgebenden Raum. Es wird angenommen, dass bestimmte Plasmawellen eine Rolle bei der Bildung der riesigen Donut-förmigen Strahlungsgürtel – oder Van-Allen-Gürtel – innerhalb der Magnetosphäre der Erde spielen. Diese Gürtel, die hoch geladene Teilchen enthalten, stellen aufgrund der hohen Strahlungswerte eine große Gefahr für Astronauten und Raumfahrzeuge dar.

Aktuelle Theorien gehen davon aus, dass Plasmawellen die geladenen Teilchen in diesen Gürteln mit Energie versorgen und sie dadurch gefährlicher machen können. Es wird angenommen, dass stärkere Plasmawellen mit größeren Amplituden die Energie zwischen Teilchen effektiver übertragen, sagte Li, „aber wir sind uns immer noch nicht sicher, wie dieser Prozess genau funktioniert.“

Beobachtungen von HARP könnten Wissenschaftlern helfen, diesen Energietransfer zu verstehen, sagte Sibeck. „Wir werden wirklich nicht wissen, welche Wellen wichtig sind, bis wir sie alle untersucht haben.“ Der öffentliche Beitrag werde für den Erfolg des Projekts von entscheidender Bedeutung sein, sagte Archer.

–Erin Martin-Jones (@Erin_M_J), Wissenschaftsautorin