Электроны движутся почти со скоростью света

Электроны движутся почти со скоростью светаВокруг Земли имеется пояс Ван Аллена, в котором электроны могут ускоряться почти до скорости света и представлять угрозу для спутников. Но когда и как возникает такое ускорение?

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.

Электроны движутся почти со скоростью света

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: astronews.com

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Перед отправкой комментария решите простой примерчик! *