Universiteiten in de VS hebben lang getwist over wie de grootste trommel ter wereld bezit. Ongefundeerde aanspraken op de titel zijn onder meer de “Purdue Big Bass Drum” en “Big Bertha”, die interessant genoeg is vernoemd naar het Duitse kanon uit de Eerste Wereldoorlog en uiteindelijk radioactief is geworden tijdens het Manhattan-project.

Helaas voor de Amerikanen, echter, het Guinness Book of World Records zegt dat een traditionele Koreaanse “CheonGo” trommel de ware titel heeft. Deze is meer dan 5,5 meter in diameter, ongeveer zes meter hoog en weegt meer dan zeven ton. Maar mijn laatste wetenschappelijke resultaten, zojuist gepubliceerd in Nature Communications, hebben alle kanshebbers weggeblazen. Dat komt omdat ’s werelds grootste vat in feite enkele tientallen malen groter is dan onze planeet – en het bestaat in de ruimte.

Je denkt misschien dat dit onzin is. Maar het magnetisch veld (magnetosfeer) dat de aarde omringt en ons beschermt door de zonnewind om de planeet te leiden, is een gigantisch en ingewikkeld muziekinstrument. We weten al zo’n 50 jaar dat zwakke magnetische geluidsgolven in deze omgeving kunnen rondkaatsen en resoneren, en daarbij welbepaalde tonen kunnen vormen op precies dezelfde manier als blaas- en snaarinstrumenten dat doen. Maar deze tonen worden gevormd bij frequenties die tienduizenden malen lager liggen dan wij met onze oren kunnen horen. En dit trommelachtige instrument binnen onze magnetosfeer is ons lang ontgaan – tot nu.

Massief magnetisch membraan

Het belangrijkste kenmerk van een trommel is zijn oppervlak – technisch aangeduid als een membraan (trommels staan ook bekend als membranofonen). Wanneer je op dit oppervlak slaat, kunnen rimpelingen zich erover verspreiden en aan de vaste randen worden weerkaatst. De originele en gereflecteerde golven kunnen interfereren door elkaar te versterken of te annuleren. Dit leidt tot “staande golfpatronen”, waarbij bepaalde punten stil lijken te staan terwijl andere heen en weer trillen. De specifieke patronen en hun bijbehorende frequenties worden volledig bepaald door de vorm van het oppervlak van de trommel. In feite heeft de vraag “Kan men de vorm van een trommel horen?” wiskundigen van de jaren zestig tot heden geïntrigeerd.

De buitenste grens van de magnetosfeer van de aarde, bekend als de magnetopauze, gedraagt zich heel erg als een elastisch membraan. Het groeit of krimpt afhankelijk van de variërende sterkte van de zonnewind, en deze veranderingen veroorzaken vaak rimpelingen of oppervlaktegolven die zich over de grens verspreiden. Hoewel wetenschappers zich vaak hebben geconcentreerd op hoe deze golven zich langs de zijkanten van de magnetosfeer verplaatsen, zouden zij zich ook naar de magnetische polen moeten verplaatsen.

Fysici nemen vaak ingewikkelde problemen en vereenvoudigen ze aanzienlijk om inzicht te krijgen. Deze aanpak hielp theoretici 45 jaar geleden voor het eerst aantonen dat deze oppervlaktegolven inderdaad kunnen worden teruggekaatst, waardoor de magnetosfeer net als een trommel gaat trillen. Maar het was niet duidelijk of het verwijderen van sommige vereenvoudigingen in de theorie de trommel onmogelijk zou kunnen maken.

Het bleek ook heel moeilijk te zijn om voor deze theorie overtuigend waarnemingsbewijs te vinden uit satellietgegevens. In de ruimtefysica, in tegenstelling tot bijvoorbeeld de astronomie, hebben we meestal te maken met het volledig onzichtbare. We kunnen niet zomaar een foto nemen van wat er overal gebeurt, we moeten satellieten erop uit sturen om het te meten. Maar dat betekent dat we alleen weten wat er gebeurt op de plaatsen waar satellieten zijn. Het raadsel is vaak of de satellieten op het juiste moment op de juiste plaats zijn om te vinden wat je zoekt.

De afgelopen jaren hebben mijn collega’s en ik de theorie van deze magnetische trommel verder ontwikkeld om ons testbare handtekeningen te geven waarnaar we in onze gegevens kunnen zoeken. We hebben een aantal strikte criteria opgesteld die volgens ons bewijs voor deze oscillaties kunnen leveren. Het kwam erop neer dat we minstens vier satellieten op een rij in de buurt van de magnetopauze nodig hadden.

Gelukkig gaf NASA’s THEMIS missie ons niet vier maar vijf satellieten om mee te spelen. Het enige wat we moesten doen, was de juiste gebeurtenis vinden, vergelijkbaar met het drumstokje dat op de trommel slaat, en meten hoe het oppervlak als reactie daarop bewoog en welke geluiden dat veroorzaakte. De gebeurtenis in kwestie was een straal van deeltjes met hoge snelheid die impulsief in de magnetopauze sloeg. Toen we dat eenmaal hadden, viel alles bijna perfect op z’n plaats. We hebben zelfs nagebootst hoe de trommel eigenlijk klinkt (zie de video hierboven).

Dit onderzoek laat echt zien hoe lastig wetenschap in werkelijkheid kan zijn. Iets wat relatief eenvoudig klinkt, heeft ons 45 jaar gekost om aan te tonen. En deze reis is nog lang niet ten einde, er is nog veel meer werk te doen om uit te vinden hoe vaak deze trommelachtige trillingen voorkomen (zowel hier op Aarde als mogelijk ook op andere planeten) en wat de gevolgen ervan zijn voor onze ruimteomgeving.

Dit zal ons uiteindelijk helpen te ontrafelen wat voor ritme de magnetosfeer in de loop der tijd produceert. Als voormalig DJ, kan ik niet wachten – ik hou van een goede beat.