Наконец-то объяснили частицы, летающие вокруг Земли со скоростью, близкой к световой
В водовороте идеальной солнечной бури электроны могут попасть в ловушку возле Земли, где они могут ускориться почти до скорости света.
Эти электроны получают свою почву от серфинга на волнах перегретого заряженного газа, называемого плазмой, который запускается с Солнца во время солнечных бурь. Однако, согласно новому исследованию, проведенному учеными из Немецкого центра геонаук GFZ в Потсдаме, они ускоряются до скорости, близкой к световой, только при низкой плотности плазмы.
Результаты важны, потому что электроны, перемещающиеся так быстро, особенно опасны для спутников и другого электронного оборудования. Они могут проникать через экранирование, которое защищает спутники от других заряженных частиц во время солнечных бурь, повреждая чувствительные компоненты.
Явление происходит в двух Из радиационных поясов Аллена, которые представляют собой петли заряженных частиц, захваченных вокруг Земли в форме пончика. Пояса, простирающиеся от примерно 400 миль до более 36000 миль (640–58000 километров) над поверхностью Земли, защищают нашу планету от заряженных частиц, исходящих от Солнца. Но они также реагируют на солнечные бури не совсем понятным образом. В 2012 году НАСА запустило два зонда Ван Аллена, чтобы провести измерения в этой загадочной зоне ближнего космоса. Зонды обнаруживали электроны с «ультрарелятивистскими энергиями», другими словами, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света.
Исследователи не понимали, почему электроны стали такими энергичными; некоторые думали, что электроны должны ускоряться в два этапа: сначала во время путешествия из-за пределов внешних границ поясов, а затем снова глубоко внутри них. Но новые данные Van Allen Probes показали, что две стадии не нужны. Напротив, скорость электронов напрямую зависит от плотности фоновых уровней плазмы во время солнечной бури.
«Это исследование показывает, что электроны в радиационном поясе Земли могут быть быстро ускорены локально до ультрарелятивистских энергий, если условия плазменной среды – плазменные волны и временно низкая плотность плазмы – являются правильными», – соавтор исследования Юрий Шприц. космический физик в GFZ Potsdam.
Обычно плотность плазмы в поясах Ван Аллена может составлять от 50 до 100 частиц на кубический сантиметр. Но когда плотность падает до менее 10 частиц на кубический сантиметр, электроны могут черпать энергию из электромагнитных волн, известных как «волны хора», повышая свою кинетическую энергию с нескольких сотен тысяч электрон-вольт до 7 миллионов электрон-вольт. (Для сравнения, линейный ускоритель, использовавшийся до 2020 года в ЦЕРНе, ускоряет протоны до 50 миллионов электрон-вольт.) Исследователи уже подозревали волны хора могут быть виновником ускорения электронов, но раньше не понимали, что это могло произойти только при такой низкой плотности плазмы. Низкая плотность, по-видимому, позволяет более эффективно передавать энергию от волн электронам.
Такое падение плотности случается не очень часто, написали исследователи в своей статье, опубликованной 29 января в журнале. Они добавили, что в 2015 году, когда проводились наблюдения, подходящие условия появлялись лишь «несколько раз». Эти экстремальные условия могут иметь какое-то отношение к продолжительной конвекции в поясах Ван Аллена, когда более горячий, более легкий материал поднимается и плотнее, более холодный материал опускается, пишут исследователи, но необходимы дополнительные исследования, чтобы выяснить, почему плазма изредка сильно истончается.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
