NASA finder usædvanlige oprindelser af højenergielektroner

Højt over overfladen, Jordens magnetfelt afleder konstant indkommende supersoniske partikler fra solen. Disse partikler forstyrres i områder lige uden for Jordens magnetfelt - og nogle reflekteres ind i et turbulent område kaldet forskokken. Nye observationer fra NASAs THEMIS-mission viser, at denne turbulente region kan accelerere elektroner op til hastigheder, der nærmer sig lysets hastighed. Sådanne ekstremt hurtige partikler er blevet observeret i rummet nær Jorden og mange andre steder i universet, men de mekanismer, der fremskynder dem, er endnu ikke blevet konkret forstået.

De nye resultater giver de første skridt mod et svar, mens du åbner op for flere spørgsmål. Forskningen viser, at elektroner kan accelereres til ekstremt høje hastigheder i et område længere væk fra Jorden end tidligere antaget muligt - hvilket fører til nye forespørgsler om, hvad der forårsager accelerationen. Disse resultater kan ændre de accepterede teorier om, hvordan elektroner kan accelereres, ikke kun i stød nær Jorden, men også i hele universet. At have en bedre forståelse af, hvordan partikler får energi, vil hjælpe videnskabsmænd og ingeniører med bedre at udstyre rumfartøjer og astronauter til at håndtere disse partikler, som kan få udstyr til at fejle og påvirke rumrejsende.

"Dette påvirker stort set alle områder, der beskæftiger sig med højenergipartikler, fra studier af kosmiske stråler til soludbrud og koronale masseudstødninger, som har potentiale til at beskadige satellitter og påvirke astronauter på ekspeditioner til Mars, " sagde Lynn Wilson, hovedforfatter af papiret om disse resultater ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Resultaterne, udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve den 14. nov. 2016, beskrive, hvordan sådanne partikler kan blive accelereret i specifikke områder lige uden for Jordens magnetfelt. Typisk, en partikel, der strømmer mod Jorden, støder først på et grænseområde kendt som stævnestød, som danner en beskyttende barriere mellem solen og Jorden. Det magnetiske felt i buestødet bremser partiklerne, får de fleste til at blive afbøjet væk fra Jorden, selvom nogle reflekteres tilbage mod solen. Disse reflekterede partikler danner et område af elektroner og ioner kaldet forskoksområdet.

Nogle af disse partikler i forchokregionen er meget energiske, hurtigt bevægende elektroner og ioner. Historisk set, Forskere har troet, at en måde, hvorpå disse partikler kommer til så høje energier, er ved at hoppe frem og tilbage hen over buestødet, får lidt ekstra energi ved hver kollision. Imidlertid, de nye observationer tyder på, at partiklerne også kan få energi gennem elektromagnetisk aktivitet i selve forchokregionen.

Observationerne, der førte til denne opdagelse, blev taget fra en af ​​THEMIS - en forkortelse for Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms - missionssatellitter. De fem THEMIS-satellitter kredsede om Jorden for at studere, hvordan planetens magnetosfære fangede og frigav solvindenergi, for at forstå, hvad der starter de geomagnetiske substorme, der forårsager nordlys. THEMIS-banerne førte rumfartøjet på tværs af forchokgrænseområderne. Den primære THEMIS -mission blev afsluttet med succes i 2010, og nu indsamler to af satellitterne data i kredsløb om månen.

Fungerer mellem solen og jorden, rumfartøjet fandt elektroner accelereret til ekstremt høje energier. De accelererede observationer varede mindre end et minut, men var meget højere end den gennemsnitlige energi af partikler i regionen, og meget højere, end det kan forklares af kollisioner alene. Samtidige observationer fra Wind- og STEREO-rumfartøjet viste ingen solradioudbrud eller interplanetariske stød, så højenergielektronerne stammede ikke fra solaktivitet.

"Dette er en gådefuld sag, fordi vi ser energiske elektroner, hvor vi ikke synes, de burde være, og ingen model passer til dem, sagde David Sibeck, medforfatter og THEMIS projektforsker ved NASA Goddard. "Der er et hul i vores viden, der mangler noget grundlæggende."

Elektronerne kunne heller ikke stamme fra buechokket, som man tidligere havde troet. Hvis elektronerne blev accelereret i buechokket, de ville have en foretrukken bevægelsesretning og placering - på linje med magnetfeltet og bevæger sig væk fra buestødet i en lille, bestemt region. Imidlertid, de observerede elektroner bevægede sig i alle retninger, ikke kun langs magnetiske feltlinjer. Derudover buestødet kan kun producere energier ved omtrent en tiendedel af de observerede elektroners energier. I stedet, årsagen til elektronernes acceleration viste sig at være inden for selve forchokområdet.

"Det tyder på, at utrolig små ting gør dette, fordi de store ting ikke kan forklare det, " sagde Wilson.

Højenergipartikler er blevet observeret i forchokregionen i mere end 50 år, men indtil nu, ingen havde set elektronerne med høj energi stammer fra forskoksområdet. Dette skyldes delvist den korte tidsskala, hvorpå elektronerne accelereres, da tidligere observationer havde været i gennemsnit over flere minutter, som kan have skjult enhver begivenhed. THEMIS indsamler observationer meget hurtigere, hvilket gør det unikt i stand til at se partiklerne.

Næste, forskerne agter at samle flere observationer fra THEMIS for at bestemme den specifikke mekanisme bag elektronernes acceleration.