Universiteten i USA har länge bråkat om vem som äger världens största trumma. Ogrundade anspråk på titeln har inkluderat ”Purdue Big Bass Drum” och ”Big Bertha”, som intressant nog fick sitt namn efter den tyska kanonen från första världskriget och som slutade med att bli radioaktiv under Manhattanprojektet.

Olyckligtvis för amerikanerna säger dock Guinness rekordbok att en traditionell koreansk ”CheonGo”-trumma innehar den verkliga titeln. Denna är över 5,5 meter i diameter, cirka sex meter hög och väger över sju ton. Men mina senaste vetenskapliga resultat, som just har publicerats i Nature Communications, har slagit alla utmanare i sank. Det beror på att världens största trumma faktiskt är flera tiotals gånger större än vår planet – och den finns i rymden.

Du kanske tycker att detta är nonsens. Men magnetfältet (magnetosfären) som omger jorden och skyddar oss genom att avleda solvinden runt planeten är ett gigantiskt och komplicerat musikinstrument. Vi har vetat i 50 år eller så att svaga magnetiska typer av ljudvågor kan studsa runt och resonera i denna miljö och bilda väldefinierade toner på exakt samma sätt som vind- och stränginstrument gör. Men dessa toner bildas vid frekvenser som är tiotusentals gånger lägre än vad vi kan höra med våra öron. Och detta trumliknande instrument inom vår magnetosfär har länge undgått oss – tills nu.

Massivt magnetiskt membran

Den viktigaste egenskapen hos en trumma är dess yta – som tekniskt sett kallas membran (trummor kallas också membranofoner). När man träffar denna yta kan krusningar spridas över den och reflekteras tillbaka vid de fasta kanterna. De ursprungliga och reflekterade vågorna kan interferera genom att förstärka eller upphäva varandra. Detta leder till ”stående vågmönster”, där specifika punkter verkar stå stilla medan andra vibrerar fram och tillbaka. De specifika mönstren och deras tillhörande frekvenser bestäms helt och hållet av formen på trummans yta. Faktum är att frågan ”Kan man höra formen på en trumma?” har fascinerat matematiker från 1960-talet fram till idag.

Den yttre gränsen för jordens magnetosfär, den så kallade magnetopausen, beter sig mycket som ett elastiskt membran. Den växer eller krymper beroende på solvindens varierande styrka, och dessa förändringar utlöser ofta krusningar eller ytvågor som sprider sig över gränsen. Forskarna har ofta fokuserat på hur dessa vågor färdas längs magnetosfärens sidor, men de borde också färdas mot de magnetiska polerna.

Fysiker tar ofta komplicerade problem och förenklar dem avsevärt för att få insikt. Detta tillvägagångssätt hjälpte teoretiker för 45 år sedan att för första gången visa att dessa ytvågor faktiskt kan reflekteras tillbaka och få magnetosfären att vibrera precis som en trumma. Men det var inte klart om man genom att ta bort några av förenklingarna i teorin skulle kunna stoppa trumman från att vara möjlig.

Det visade sig också vara mycket svårt att hitta övertygande observationsbevis för denna teori från satellitdata. Inom rymdfysik, till skillnad från till exempel astronomi, har vi oftast att göra med det helt osynliga. Vi kan inte bara ta en bild av vad som händer överallt, vi måste skicka ut satelliter och mäta det. Men det betyder att vi bara vet vad som händer på de platser där det finns satelliter. Problemet är ofta om satelliterna är på rätt plats vid rätt tidpunkt för att hitta det man letar efter.

Under de senaste åren har mina kollegor och jag vidareutvecklat teorin om denna magnetiska trumma för att ge oss testbara signaturer att söka efter i våra data. Vi kunde komma fram till några strikta kriterier som vi trodde kunde ge bevis för dessa svängningar. Det innebar i princip att vi behövde minst fyra satelliter alla på rad nära magnetopausen.

Tacksamt nog gav NASA:s THEMIS-uppdrag oss inte fyra utan fem satelliter att leka med. Allt vi behövde göra var att hitta den rätta drivande händelsen, motsvarande trumstocken som slår mot trumman, och mäta hur ytan rörde sig som svar och vilka ljud det skapade. Händelsen i fråga var en jet av höghastighetspartiklar som impulsivt slog in i magnetopausen. När vi väl hade detta föll allting på plats nästan perfekt. Vi har till och med återskapat hur trumman faktiskt låter (se videon ovan).

Denna forskning visar verkligen hur knepig vetenskap kan vara i verkligheten. Något som låter relativt enkelt har tagit oss 45 år att demonstrera. Och den här resan är långt ifrån över, det finns mycket mer arbete att göra för att ta reda på hur ofta dessa trumliknande vibrationer förekommer (både här på jorden och eventuellt även på andra planeter) och vilka konsekvenser de har för vår rymdmiljö.

Detta kommer i slutändan att hjälpa oss att reda ut vilken typ av rytm magnetosfären producerar över tiden. Som före detta DJ kan jag inte vänta – jag älskar ett bra beat.