Badai Matahari dahsyat pada Mei 2024 ternyata mampu menembus wilayah di sekitar Bumi yang selama ini dianggap hampir tidak bisa ditembus elektron berenergi sangat tinggi. Wahana antariksa Arase milik Jepang merekam elektron-elektron itu jauh di dalam wilayah yang dijuluki penghalang tak tertembus, dan penelitian terbaru yang dipimpin Universitas Nagoya menemukan bahwa elektron tersebut justru dipercepat di tempat, bukan menyusup dari sabuk radiasi luar.

Untuk memahami temuan ini, perlu membayangkan perisai magnet Bumi. Medan magnet planet kita memerangkap partikel bermuatan energetik, terutama proton dan elektron, dalam dua sabuk berbentuk donat yang disebut sabuk radiasi Van Allen. Partikel-partikel ini berpotensi merusak perangkat keras dan elektronika wahana yang melintasinya. Di tepi dalam sabuk Van Allen kedua, sekitar tiga jari-jari Bumi dari pusat planet, elektron berenergi sangat tinggi seolah menabrak dinding yang tak terlihat. Penghalang ini pertama kali ditemukan pada 2014, dan sumbernya belum sepenuhnya dipahami. Salah satu penjelasan yang diajukan adalah desis plasmasfer, gelombang radio frekuensi rendah di magnetosfer Bumi yang terdengar seperti desis saat diputar lewat pengeras suara, dan transmisi radio frekuensi sangat rendah buatan manusia untuk berkomunikasi dengan kapal selam juga diduga ikut membentuk batas ini dengan menghamburkan elektron sabuk radiasi ke atmosfer Bumi.

Dalam kondisi biasa, wilayah di dalam penghalang itu kosong dari elektron yang bergerak sangat cepat. Namun cuaca antariksa bisa sama tidak terduganya dengan cuaca di permukaan planet. Pada Mei 2024, aktivitas Matahari yang tinggi memicu badai geomagnetik dahsyat di Bumi. Aurora borealis, atau cahaya utara, tampak di langit malam Hokkaido dan bahkan sampai ke selatan sejauh Prefektur Hyogo di Jepang. Selama dan sesudah badai itu, wahana radiasi Arase yang dioperasikan badan antariksa Jepang JAXA mengumpulkan data dari dalam penghalang tersebut, dan merekam aliran besar elektron berenergi tinggi yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Sebagian elektron bahkan berenergi lebih dari tiga megaelektronvolt, cukup tinggi untuk menembus sebagian perisai satelit. Penghalang yang disebut tak tertembus itu tampaknya telah jebol.

Pertanyaan kuncinya, menurut ketua penelitian Yoshizumi Miyoshi, profesor di Institut Penelitian Lingkungan Antariksa-Bumi Universitas Nagoya, adalah bagaimana elektron-elektron berenergi tinggi itu muncul di dalam penghalang: apakah mereka berpindah masuk dari sabuk radiasi luar, atau dipercepat secara lokal di wilayah itu sendiri? Petunjuk pertama datang dari analisis kerapatan ruang fase elektron, besaran yang menggambarkan sebaran elektron menurut energi dan gerakannya. Dengan memakai pengukuran dari beberapa orbit Arase, para peneliti menemukan puncak lokal kerapatan yang jelas terbentuk di dekat batas penghalang biasa dan menguat seiring waktu. Puncak yang tumbuh seperti itu adalah bukti bahwa elektron memperoleh energi di tempat, bukan sekadar berpindah masuk dari luar.

Pendorongnya adalah gelombang paduan suara, gelombang elektromagnetik alami berfrekuensi rendah yang merambat lewat medan magnet Bumi. Ketika diubah menjadi audio, gelombang ini terdengar seperti kicauan burung, dan gelombang tersebut dapat mentransfer energi ke elektron ketika osilasinya selaras dengan gerakan elektron yang berputar mengelilingi garis medan magnet. Efeknya menjadi sangat kuat pada Mei 2024 karena badai telah mengikis plasmasfer Bumi secara dramatis: batas luarnya menyusut hingga sangat dekat dengan Bumi, sehingga wilayah di sekitar penghalang menjadi jauh lebih jarang plasmanya. Kondisi itu memungkinkan elektron yang lebih panas menjangkau lebih jauh ke dalam dan membangkitkan gelombang paduan suara. Pemulihan plasmasfer pun berjalan lambat luar biasa, sekitar 4,3 hingga 4,7 hari untuk kembali ke lebih dari separuh kepadatan sebelum badai, padahal biasanya hanya sekitar dua hari. Kondisi plasma yang jarang itu bertahan selama berhari-hari dan memberi ruang bagi percepatan elektron yang berkelanjutan.

Temuan yang diterbitkan di jurnal Geophysical Research Letters ini membawa pesan praktis yang penting. Wilayah di dekat Bumi yang selama ini dianggap relatif terlindungi dari elektron berenergi ekstrem ternyata bisa mengalami peningkatan radiasi yang besar selama peristiwa cuaca antariksa yang parah. Menurut Miyoshi, pengetahuan semacam ini penting untuk menilai risiko radiasi bagi wahana antariksa dan meningkatkan prakiraan cuaca antariksa di masa depan, serta menegaskan perlunya pengamatan berkelanjutan terhadap lingkungan antariksa dekat Bumi.

Apa poin penting dari berita ini?

• Badai Matahari dahsyat Mei 2024 membuat wahana Arase milik Jepang merekam elektron berenergi sangat tinggi jauh di dalam penghalang tak tertembus di tepi dalam sabuk Van Allen kedua, sekitar tiga jari-jari Bumi dari pusat planet.
• Penghalang itu pertama kali ditemukan pada 2014 dan diduga dibentuk antara lain oleh desis plasmasfer serta transmisi radio frekuensi sangat rendah buatan manusia.
• Selama badai, aurora tampak hingga Hokkaido dan Prefektur Hyogo, dan Arase merekam elektron berenergi lebih dari tiga megaelektronvolt yang cukup kuat menembus sebagian perisai satelit.
• Analisis kerapatan ruang fase dari beberapa orbit Arase menunjukkan puncak lokal yang menguat seiring waktu, bukti elektron dipercepat secara lokal, bukan berpindah dari sabuk radiasi luar.
• Gelombang paduan suara yang terdengar seperti kicauan burung menjadi pendorongnya, diperkuat oleh plasmasfer yang terkikis dan pulih lambat selama 4,3 hingga 4,7 hari, sehingga wilayah yang dianggap terlindungi ternyata bisa mengalami peningkatan radiasi besar saat cuaca antariksa ekstrem.