Разгадана тайна космического ускорения: электроны достигают рекордных скоростей

Во Вселенной существуют мощные естественные ускорители частиц, способные придавать электронам скорости, близкие к скорости света. Как именно это происходит, долго оставалось загадкой. Однако астрофизики из Университета Джонса Хопкинса и Нортумбрийского университета смогли пролить свет на этот процесс.

Их исследование, опубликованное в Nature Communications, основано на данных спутниковых миссий NASA MMS и THEMIS/ARTEMIS. Эти наблюдения позволили смоделировать механизмы, лежащие в основе ускорения электронов в космических средах.

Космические ударные волны: идеальные ускорители

Давно известно, что бесстолкновенные ударные волны, распространённые по всей Вселенной, способны разгонять частицы до невероятных скоростей. Они играют ключевую роль в формировании космических лучей — потока высокоэнергетических частиц, движущихся через межзвёздное пространство.

Используя данные спутниковых наблюдений, исследователи выяснили, что ускорение электронов происходит благодаря совокупности различных процессов, действующих на нескольких масштабах одновременно. Ключевым фактором здесь является ускорение Ферми (или диффузионное ударное ускорение), при котором электроны накапливают энергию, многократно отражаясь между магнитными структурами.

Прорыв в наблюдениях: рекордные энергии электронов

Ответ на вопрос о начальной "зарядке" электронов нашли благодаря спутникам MMS и THEMIS/ARTEMIS. Эти миссии изучают взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли и плазменную среду вблизи Луны. 17 декабря 2017 года исследователи зафиксировали необычный всплеск энергии электронов в форшоковой области Земли. Их энергия достигла 500 кэВ, что в 500 раз превышает обычные значения для этой области.

Тайна разгадана: как электроны разгоняются в космосе
Учёные пришли к выводу, что столь высокие энергии возникают за счёт сложного взаимодействия множества ускоряющих механизмов. Важную роль в этом процессе играют:

• Плазменные волны
• Переходные структуры в форшоке
• Головная ударная волна Земли

Этот комплексный механизм, скорее всего, аналогичен тем процессам, которые происходят в далёких астрофизических объектах, например, в остатках сверхновых и активных ядрах галактик.

Будущее исследования космических ускорителей

Результаты этого исследования важны не только для понимания природы космических лучей, но и для изучения фундаментальных процессов, происходящих в экстремальных условиях Вселенной. Околоземное пространство оказалось отличной лабораторией для таких наблюдений, позволяя моделировать механизмы, действующие в глубинах космоса.

Уточнения

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον "янтарь") — субатомная частица (обозначается символом e-
или β-), чей электрический заряд отрицателен и равен по модулю одному элементарному электрическому заряду.