Hvordan når elektroner tæt på Jorden næsten lysets hastighed?

En ny undersøgelse fandt ud af, at elektroner kan nå ultra-relativistiske energier til helt særlige forhold i magnetosfæren, når rummet er uden plasma.

Nylige målinger fra NASAs Van Allen Probes-rumfartøj viste, at elektroner kan nå ultra-relativistiske energier, der flyver med næsten lysets hastighed. Hayley Allison, Yuri Shprits og samarbejdspartnere fra det tyske forskningscenter for geovidenskab har afsløret, under hvilke forhold så stærke accelerationer opstår. De havde allerede demonstreret i 2020, at plasmabølger under solstorm spiller en afgørende rolle for det. Imidlertid, det var tidligere uklart, hvorfor så høje elektronenergier ikke opnås i alle solstorme. I journalen Videnskabens fremskridt , Allison, Shprits og kolleger viser nu, at ekstreme udtømninger af baggrundsplasmatætheden er afgørende.

Ultra-relativistiske elektroner i rummet

Ved ultrarelativistiske energier, elektroner bevæger sig næsten med lysets hastighed. Så bliver relativitetslovene vigtigst. Massen af ​​partiklerne stiger med en faktor ti, tiden bremser, og afstanden falder. Med så høje energier, ladede partikler bliver farligst for selv de bedst beskyttede satellitter. Da næsten ingen afskærmning kan stoppe dem, deres ladning kan ødelægge følsom elektronik. Forudsige deres forekomst - f.eks. som en del af observationer af rumvejr praktiseret ved GFZ - er derfor meget vigtig for moderne infrastruktur.

For at undersøge betingelserne for elektronernes enorme accelerationer, Allison og Shprits brugte data fra en tvillingemission, Van Allen-sonderne, som den amerikanske rumfartsorganisation NASA havde opsendt i 2012. Målet var at lave detaljerede målinger i strålingsbæltet, det såkaldte Van Allen bælte, som omgiver Jorden i en donutform i terrestrisk rum. Her – som i resten af ​​rummet – danner en blanding af positivt og negativt ladede partikler et såkaldt plasma. Plasmabølger kan forstås som fluktuationer i det elektriske og magnetiske felt, ophidset af solstorme. De er en vigtig drivkraft for elektronernes acceleration.

Dataanalyse med maskinlæring

Under missionen, både solstorme, der producerede ultrarelativistiske elektroner, og storme uden denne effekt blev observeret. Baggrundsplasmaets tæthed viste sig at være en afgørende faktor for den stærke acceleration:elektroner med de ultrarelativistiske energier blev kun observeret at stige, når plasmadensiteten faldt til meget lave værdier på kun omkring ti partikler pr. mens en sådan tæthed normalt er fem til ti gange højere.

Ved hjælp af en numerisk model, der inkorporerede en sådan ekstrem plasmaforringelse, forfatterne viste, at perioder med lav tæthed skaber præferencebetingelser for acceleration af elektroner - fra de første få hundrede tusinde til mere end syv millioner elektronvolt. For at analysere dataene fra Van Allen-sonderne, forskerne brugte maskinlæringsmetoder, hvis udvikling blev finansieret af GEO.X -netværket. De gjorde det muligt for forfatterne at udlede den samlede plasmatæthed ud fra de målte fluktuationer af elektriske og magnetiske felter.

Plasmas afgørende rolle

"Denne undersøgelse viser, at elektroner i Jordens strålingsbælte hurtigt kan accelereres lokalt til ultrarelativistiske energier, hvis forholdene i plasmamiljøet - plasmabølger og midlertidigt lav plasmadensitet - er rigtige. Partiklerne kan betragtes som surfing på plasmabølger. I områder med ekstremt lav plasmatæthed kan de bare tage meget energi fra plasmabølger. Lignende mekanismer kan være på arbejde i magnetosfærerne på de ydre planeter såsom Jupiter eller Saturn og i andre astrofysiske objekter, " siger Yuri Shprits, leder af GFZ-sektionen Rumfysik og rumvejr og professor ved University of Potsdam.

"Dermed, at nå sådanne ekstreme energier, en to-trins accelerationsproces er ikke nødvendig, som længe antaget - først fra magnetosfærens ydre område ind i bæltet og derefter indeni. Dette understøtter også vores forskningsresultater fra sidste år, " tilføjer Hayley Allison, PostDoc i sektionen Rumfysik og rumvejr.