Как электроны, близкие к Земле, достигают почти скорости света?


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

Недавние измерения с космического корабля NASA Van Allen Probes показали, что электроны могут достигать ультрарелятивистских энергий, летая почти со скоростью света. Хейли Эллисон, Юрий Шприц и 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 Достижения науки, Эллисон, Шприц и его коллеги теперь показывают, что критическое значение имеет крайнее истощение фоновой плотности плазмы.

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 колоссального ускорения электронов, Эллисон и Шприц использовали данные двойной миссии « Ван Аллена», которую космическое агентство США НАСА запустило в 2012 году. Цель состояла в том, чтобы провести подробные измерения радиации. пояс, так называемый пояс Ван Аллена, который окружает Землю в форме пончика в земном пространстве. 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.

Анализ данных с помощью машинного обучения

Во время миссии наблюдались как солнечные бури, которые производили ультрарелятивистские электроны, так и бури без этого эффекта. фоновой плазмы оказалась решающим фактором для сильного ускорения: электроны с ультрарелятивистской энергией увеличивались 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, которая учитывала 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 плазмы по измеренным флуктуациям электрического и магнитного поля.

Решающая роль плазмы