Недавние измерения, полученные с космических зондов НАСА, продемонстрировали, что в поясе Ван Аллена электроны могут достигать почти скорости света. Команда Хейли Эллисон и Юрия Шприца из Немецкого центра исследований Земли в Потсдаме определила условия, необходимые для таких сильных ускорений. В 2020 г. исследователи выяснили, что решающую роль в этом играют плазменные волны, возникающие во время солнечных бурь. Однако еще не было ясно, почему не все солнечные бури порождают столь высокие энергии электронов. Новое исследование, сообщение о котором вышло в Science Advances, показывает, что плотность фоновой плазмы должна быть для этого чрезвычайно низкой.
Электроны движутся при ультрарелятивистских энергиях почти со скоростью света. Затем в дело вступают законы относительности. Масса частиц возрастает в десять раз, для них время идет медленнее, а расстояния сокращаются. Заряженные частицы при таких высоких энергиях представляют угрозу для спутников: поскольку их нельзя защитить, заряд способен разрушить чувствительную электронику. Поэтому для современной инфраструктуры очень важно прогнозирование возникновения таких энергий, например при наблюдениях за космической погодой.
Серые линии в радиационном поясе символизируют траектории релятивистских электронов. Концентрические круговые линии на переднем плане - траекторию движения спутников в этой опасной космической области Фото: Инго Михаэлис и Юрий Шприц, GFZ
Для исследования условий такого громадного ускорения электронов физики использовали данные, полученные Van Allen Probes, двойной миссией, которую NASA начало в 2012 г. Целью было проведение подробных измерений в поясе Ван Аллена. Там, как и повсюду в космосе, присутствует плазма, в которой смешаны частицы, заряженные положительно и отрицательно. Плазменными волнами можно считать вызванные солнечными бурями колебания электрического и магнитного полей, которые способствуют ускорению электронов.
Во время миссии случались солнечные бури, создававшие ультрарелятивистские электроны, а также такие, при которых этого эффекта не было. Решающим фактором появления сильного ускорения оказалась плотность фоновой плазмы: электроны с ультрарелятивистскими энергиями наблюдались чаще только тогда, когда плотность плазмы упала примерно до 10/см3.
На цифровой модели, показывавшей экстремальное истощение плазмы от 1/5 до 1/10 среднего значения, исследователи продемонстрировали, что при низкой плотности создаются условия, предпочтительные для ускорения электронов - от первоначальных нескольких сотен тыс. до свыше 7 млн электрон-вольт. Чтобы провести анализ данных обоих зондов Ван Аллена, применялись методы машинного обучения. С их помощью была выяснена полная плотность плазмы по ранее измеренным случайным отклонениям электрического и магнитного полей.
«Это исследование показывает, что в земном радиационном поясе электроны могут очень быстро локально ускоряться до ультрарелятивистских энергий, если есть подходящие условия плазменной среды: волны плазмы и ее текущая низкая плотность. Частицы как бы перемещаются по плазменным волнам и могут извлекать из них необходимую энергию в областях с очень низкой плотностью плазмы. Подобный механизм ускорения для заряженных частиц может также существовать в магнитосфере внешних планет, например Юпитера или Сатурна, и в ряде других астрофизических объектов».
Юрий Шприц, руководитель отделения «Космическая физика и космическая погода» в GFZ и профессор Потсдамского университета«Поэтому для достижения таких экстремальных энергий не требуется, как это ранее предполагалось, двухэтапный процесс ускорения: сначала из внешней области магнитосферы в пояс, а затем внутри. Это также подкрепляет результаты наших исследований за прошлый год».
Хейли Эллисон, постдокторант отделения «Космическая физика и космическая погода» в GFZ
Источник:
Комментариев нет:
Отправить комментарий