Uniwersytety w USA od dawna spierają się o to, kto jest właścicielem największego na świecie bębna. Nieuzasadnione roszczenia do tytułu obejmowały „Purdue Big Bass Drum” i „Big Bertha”, który, co ciekawe, został nazwany po niemieckiej armacie z I wojny światowej i skończył się stając się radioaktywny podczas Projektu Manhattan.

Niestety dla Amerykanów, jednak Księga Rekordów Guinnessa mówi, że tradycyjny koreański bęben „CheonGo” posiada prawdziwy tytuł. Ma on ponad 5,5 metra średnicy, jest wysoki na jakieś sześć metrów i waży ponad siedem ton. Ale moje najnowsze wyniki naukowe, opublikowane właśnie w Nature Communications, zdmuchnęły wszystkich pretendentów. A to dlatego, że największy na świecie bęben jest w rzeczywistości kilkadziesiąt razy większy od naszej planety – i istnieje w kosmosie.

Możecie myśleć, że to nonsens. Ale pole magnetyczne (magnetosfera), które otacza Ziemię, chroniąc nas poprzez odwracanie kierunku wiatru słonecznego wokół planety, jest gigantycznym i skomplikowanym instrumentem muzycznym. Od około 50 lat wiemy, że słabe magnetyczne fale dźwiękowe mogą odbijać się i rezonować w tym środowisku, tworząc dobrze zdefiniowane nuty w dokładnie taki sam sposób, w jaki robią to instrumenty dęte i strunowe. Ale te nuty powstają przy częstotliwościach dziesiątki tysięcy razy niższych niż te, które możemy usłyszeć naszymi uszami. I ten podobny do bębna instrument w naszej magnetosferze długo nam umykał – aż do teraz.

Masywna membrana magnetyczna

Kluczową cechą bębna jest jego powierzchnia – technicznie nazywana membraną (bębny są również znane jako membranofony). Kiedy uderzasz w tę powierzchnię, fale mogą rozprzestrzeniać się po niej i zostać odbite z powrotem od stałych krawędzi. Fale pierwotne i odbite mogą się wzajemnie zakłócać, wzmacniając się lub znosząc. Prowadzi to do powstawania „wzorów fal stojących”, w których określone punkty wydają się być nieruchome, podczas gdy inne wibrują tam i z powrotem. Specyficzne wzory i związane z nimi częstotliwości są całkowicie zdeterminowane przez kształt powierzchni bębna. W rzeczywistości, pytanie „Czy można usłyszeć kształt bębna?” intrygowało matematyków od lat sześćdziesiątych do dziś.

Zewnętrzna granica ziemskiej magnetosfery, znana jako magnetopauza, zachowuje się bardzo podobnie do elastycznej membrany. Rośnie lub kurczy się w zależności od zmiennej siły wiatru słonecznego, a zmiany te często wywołują falowanie lub fale powierzchniowe rozprzestrzeniające się w poprzek granicy. Podczas gdy naukowcy często skupiali się na tym jak te fale przemieszczają się w dół boków magnetosfery, powinny one również przemieszczać się w kierunku biegunów magnetycznych.

Fizycy często biorą skomplikowane problemy i znacznie je upraszczają, aby uzyskać wgląd. Takie podejście pomogło teoretykom 45 lat temu po raz pierwszy wykazać, że te fale powierzchniowe rzeczywiście mogą zostać odbite z powrotem, sprawiając, że magnetosfera wibruje jak bęben. Ale nie było jasne, czy usunięcie niektórych uproszczeń w teorii może powstrzymać bęben od bycia możliwym.

Okazało się również, że bardzo trudno jest znaleźć przekonujące dowody obserwacyjne dla tej teorii na podstawie danych satelitarnych. W fizyce kosmicznej, w przeciwieństwie do astronomii, mamy zazwyczaj do czynienia z tym, co zupełnie niewidoczne. Nie możemy po prostu zrobić zdjęcia tego, co dzieje się wszędzie, musimy wysłać satelity i zmierzyć to. Ale to oznacza, że wiemy tylko, co się dzieje w miejscach, gdzie są satelity. Problemem jest często to, czy satelity są w odpowiednim miejscu w odpowiednim czasie, aby znaleźć to, czego szukasz.

W ciągu ostatnich kilku lat, moi koledzy i ja dalej rozwijaliśmy teorię tego bębna magnetycznego, aby dać nam testowalne sygnatury do poszukiwania w naszych danych. Byliśmy w stanie wymyślić kilka ścisłych kryteriów, które naszym zdaniem mogą dostarczyć dowodów na te oscylacje. To w zasadzie oznaczało, że potrzebujemy co najmniej czterech satelitów w rzędzie w pobliżu magnetopauzy.

Na szczęście, misja NASA THEMIS dała nam nie cztery, ale pięć satelitów do zabawy. Wszystko, co musieliśmy zrobić, to znaleźć odpowiednie zdarzenie napędowe, odpowiednik uderzenia pałeczką w bęben, i zmierzyć, jak powierzchnia poruszyła się w odpowiedzi i jakie dźwięki powstały. Wydarzeniem, o którym mowa, był strumień cząstek o dużej prędkości impulsywnie uderzający w magnetopauzę. Kiedy już to mieliśmy, wszystko niemal idealnie się zgrało. Odtworzyliśmy nawet, jak brzmi bęben (zobacz wideo powyżej).

Te badania naprawdę pokazują, jak skomplikowana może być nauka w rzeczywistości. Coś, co brzmi stosunkowo prosto, zajęło nam 45 lat, aby to zademonstrować. I ta podróż jest daleka od zakończenia, jest jeszcze wiele do zrobienia, aby dowiedzieć się, jak często te podobne do bębna wibracje występują (zarówno tutaj na Ziemi, jak i potencjalnie na innych planetach) i jakie są ich konsekwencje dla naszego środowiska kosmicznego.

To ostatecznie pomoże nam odkryć, jaki rodzaj rytmu magnetosfera wytwarza w czasie. Jako były DJ, nie mogę się doczekać – uwielbiam dobry beat.