Как электроны почти достигают скорости света?

Новое исследование показало, что электроны могут достигать ультрарелятивистских энергий в очень особых условиях в магнитосфере, когда космос лишен плазмы.

Недавние измерения со спутников НАСА Van Allen Probes показали, что электроны могут достигать ультрарелятивистских энергий, летая почти со скоростью света.

Сотрудники Немецкого исследовательского центра геонаук выяснили, при каких условиях происходят такие сильные ускорения. В 2020 году они уже продемонстрировали, что во время солнечной бури плазменные волны играют в этом решающую роль. Однако ранее было непонятно, почему такие высокие энергии электронов достигаются не во всех солнечных бурях. В журнале Science Advances ученые показывают, что критическое снижение плотности фоновой плазмы имеет решающее значение.

Ультрарелятивистские электроны в космосе

При ультрарелятивистских энергиях электроны движутся почти со скоростью света. Тогда законы относительности становятся наиболее важными.

Масса частиц увеличивается в десять раз, время замедляется, расстояние уменьшается. При таких высоких энергиях заряженные частицы становятся наиболее опасными даже для наиболее защищенных спутников.

Поскольку почти никакая защита не может их остановить, их заряд может разрушить чувствительную электронику. Поэтому прогнозирование их возникновения — например, в рамках наблюдений за космической погодой, практикуемых в GFZ — очень важно для современной инфраструктуры.

Чтобы исследовать условия огромного ускорения электронов, ученые использовали данные двойной миссии Van Allen Probes, которую космическое агентство НАСА запустило в 2012 году. Целью было провести подробные измерения в радиационном поясе.

Это так называемый пояс Ван Аллена, который окружает Землю. Здесь, как и в остальном космосе, смесь положительно и отрицательно заряженных частиц образует так называемую плазму. Плазменные волны можно понимать как колебания электрического и магнитного поля, возбуждаемые солнечными бурями. Они являются важной движущей силой ускорения электронов.

Во время миссии наблюдались как солнечные бури, которые производили ультрарелятивистские электроны, так и бури без этого эффекта. Плотность фоновой плазмы оказалась решающим фактором для сильного ускорения: электроны с ультрарелятивистской энергией возникали только тогда, когда плотность плазмы падала до очень низких значений, всего около десяти частиц на кубический сантиметр, в то время как обычно такая плотность в пять-десять раз выше.

Используя численную модель, включающую такое экстремальное истощение плазмы, авторы показали, что периоды низкой плотности создают предпочтительные условия для ускорения электронов — от начальных нескольких сотен тысяч до более семи миллионов электрон-вольт.

Для анализа данных зондов Ван Аллена исследователи использовали методы машинного обучения, разработку которых финансировала сеть GEO.X. Они позволили авторам определить полную плотность плазмы по измеренным флуктуациям электрического и магнитного поля.

Решающая роль плазмы

«Это исследование показывает, что электроны в радиационном поясе Земли могут быть быстро локально ускорены до ультрарелятивистских энергий, если условия плазменной среды — плазменные волны и временно низкая плотность плазмы — являются правильными.В областях с чрезвычайно низкой плотностью плазмы частицы могут забирать много энергии от плазменных волн. Подобные механизмы могут работать в магнитосферах внешних планет, таких как Юпитер или Сатурн, и в других астрофизических объектах», — говорит Юрий Шприц, профессор Потсдамского университета.

«Таким образом, для достижения таких экстремальных энергий не требуется двухэтапный процесс ускорения, как это давно предполагалось — сначала из внешней области магнитосферы в пояс, а затем внутрь. Это также подтверждает результаты наших прошлогодних исследований».

Hayley J. Allison et al, Gyroresonant wave-particle interactions with chorus waves during extreme depletions of plasma density in the Van Allen radiation belts, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abc0380