Instabilitet och våggenerering vid en komets gränsregioner

När två vätskor flödar förbi varandra uppstår ofta vågor i gränsskiktet mellan dem. Vågorna kan växa och brytas, en instabilitet skapas. Detta gäller även när två elektriskt laddade gaser, plasma, flödar förbi eller genom varandra. Ett plasma är en blandning av joner och fria elektroner. Till och med när dessa plasma är så tunna att inga partikelkollisioner sker, som till exempel i de plasma som dominerar i rymden mellan planeterna i solsystemet, så sker en växelverkan via elektromagnetiska fält. Detta kan skapa vågor och instabiliteter. Ett särskilt tydligt exempel är runt kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, som rymdfarkosten Rosetta följde under två år. Ett av instrumenten ombord på Rosetta var jonkompositionsmätaren ICA (Ion Composition Analyzer). Instrumentet kunde mäta joner från solvinden, som strömmar ut från solen och fyller solsystemet, och från kometens joniserade atmosfär, dess jonosfär. Med dessa data kan man studera hur solvinden och kometjonosfären växelverkar, och hur energi och rörelsemängd överförs från solvinden till kometjonosfären. En tydlig effekt av växelverkan är att solvinden böjs av när den påverkas av kometjonerna. Det är en effekt av rörelsemängdens bevarande när solvindens rörelsemängd överförs till kometjonerna. Exakt hur det går till när inga direkta kollisioner sker, är inte fastslaget. Elektromagnetiska fält och elektroner, via vågor och instabiliteter, är det som överför krafter mellan partiklarna. Vi vet från observationer att flera vågor och instabiliteter förekommer i kometmiljön. Det har inte gjorts någon systematisk studie av vilka vågor och instabiliteter som är viktigast för överföring av rörelsemängd i kometmiljön. En sådan systematisk studie, från den tidsperiod när solvinden avböjdes som mest, kan visa precis vilka vågor och instabiliteter som är viktigast för överföring av rörelsemängd och energi när solvinden växelverkar med kometjonosfären. När vi vet det kan vi bättre extrapolera våra detaljerade empiriska resultat till andra liknande objekt i universum.

I ett plasma kan många olika vågor förekomma. Vågorna involverar rörelsen hos joner av olika energi och massa, elektroner samt elektriska och magnetiska fält. För att studera vågorna måste vi först kombinera de olika jon och elektronpopulationerna till en helhet och bestämma dess bulkhastighet. Vi måste se hur jonerna, i denna nu bestämda referensram, rör sig i förhållande till det storskaliga magnetfältet. Plasma trycket kan vara olika längs med och tvärs magnetfältet, och dessa olikheter kan driva vågtillväxt och instabiliteter. Genom att studera jonernas hastghetsfördelningsfunktioner i denna referensram, kombinerat med numeriska modeller, kan vi se vilka vågor som är instabila och växer. Vi kan se hur mycket energi och röreslemängd de kan överföra. Vi kan sedan studera de begränsade vågdata som finns, och tolka dem utifrån vilka vågor som vi förutsäger.

Projektet är viktigt eftersom vi nu har en unikt detaljerad bild av resultatet av växelverkan mellan solvinden och kometjonosfären, men ännu inte en förståelse för de detaljerade fysiska processer som ligger bakom detta beteende. Liknande processer kan förekomma på många ställen i universum, som runt planeter och kanske till och med när galaxer kolliderar. Resultaten har även stort värde för den kommande Europeiska kometmissionen Comet Interceptor som kommer att studera samma fenomen från ett annat perspektiv.