Ці ударні хвилі є одними з найпотужніших прискорювачів частинок у природі й давно інтригують вчених через їхню роль у виробництві космічних променів — високоенергетичних частинок, які переміщуються на великі відстані у космосі.
Дослідження, опубліковане в Nature Communications, об'єднує супутникові спостереження місій MMS (Magnetospheric Multiscale) та THEMIS/ARTEMIS НАСА з останніми теоретичними досягненнями, пропонуючи всеосяжну нову модель для пояснення прискорення електронів у ударах без зіткнень.
Стаття «Виявлення несподівано низького порога інжекції електронів за допомогою посиленого ударного прискорення» написана групою міжнародних вчених під керівництвом доктора Савваса Раптіса з Лабораторії прикладної фізики Університету Джонса Хопкінса в США та у співпраці з доктором Ахмадом Лалті з Норту.
Це дослідження вирішує давню загадку астрофізики — як електрони досягають надзвичайно високих, або релятивістських рівнів енергії.
Десятиліттями вчені намагалися відповісти на найважливіше питання у космічній фізиці: які процеси дозволяють електронам прискорюватися до релятивістських швидкостей?
Основний механізм, який пояснює прискорення електронів до релятивістських енергій, називається прискоренням Фермі або ударним дифузійним прискоренням (DSA). Однак цей механізм вимагає, щоб електрони спочатку були заряджені до певної граничної енергії, перш ніж вони будуть ефективно прискорені DSA.
Спроба вирішити, як електрони досягають цієї початкової енергії, відома як «проблема інжекції».
Це нове дослідження дає ключове розуміння проблеми інжекції електронів, показуючи, що електрони можуть прискорюватися до високих енергій у взаємодії різних процесів у кількох масштабах.
Використовуючи дані в реальному часі від місії MMS, яка вимірює взаємодію магнітосфери Землі з сонячним вітром, і місії THEMIS/ARTEMIS, яка вивчає плазмове середовище висхідного потоку поблизу Місяця, 17 грудня 2017 року дослідницька група спостерігала великомасштабне, залежне від часу (тобто перехідне) явище вище за потоком ударної хвилі Землі.
Під час цієї події електрони в області форшоку Землі – області, де сонячний вітер попередньо порушений його взаємодією з ударною хвилею – досягли безпрецедентних рівнів енергії, перевищивши 500 кеВ.
Це разючий результат, враховуючи, що електрони, що спостерігаються в області форшоку, зазвичай знаходяться при енергіях ~0,1-1.
Це дослідження передбачає, що ці високоенергетичні електрони були створені складною взаємодією множинних механізмів прискорення, включаючи взаємодію електронів з різними плазмовими хвилями, перехідними структурами у форшоці та ударною хвилею Землі.
Всі ці механізми діють разом, щоб прискорити електрони від низьких енергій ~ 1 кеВ до релятивістських енергій, що досягають 500 кеВ, що призводить до особливо ефективного процесу прискорення електронів.
Уточнюючи модель ударного прискорення, це дослідження дає нове уявлення про роботу космічної плазми та фундаментальні процеси, які управляють передачею енергії у Всесвіті.
В результаті дослідження відкриває нові шляхи для розуміння генерації космічних променів і дає уявлення про те, як явища в нашій сонячній системі можуть спрямовувати нас до розуміння астрофізичних процесів у всьому Всесвіті.
Доктор Раптіс вважає, що вивчення явищ у різних масштабах має вирішальне значення для розуміння природи. "Більшість наших досліджень зосереджена або на дрібномасштабних ефектах, таких як взаємодія хвиль і частинок, або на великомасштабних властивостях, таких як вплив сонячного вітру", - говорить він.
«Однак, як ми продемонстрували в цій роботі, об'єднавши явища в різних масштабах, ми змогли спостерігати їхню взаємодію, яка зрештою заряджає частинки в космосі».
Доктор Ахмад Лалті додав: «Один із найефективніших способів поглибити наше розуміння Всесвіту, в якому ми живемо, — це використовувати наше навколоземне плазмове середовище як природну лабораторію.
«У цій роботі ми використовуємо на місці спостереження з MMS та THEMIS/ARTEMIS, щоб показати, як різні фундаментальні плазмові процеси у різних масштабах працюють спільно, щоб заряджати електрони від низьких енергій до високих релятивістських енергій.
«Ці фундаментальні процеси не обмежуються нашою сонячною системою і, як очікується, відбуваються по всьому Всесвіту.
"Це робить нашу пропоновану структуру актуальною для кращого розуміння прискорення електронів до енергій космічних променів в астрофізичних структурах, що знаходяться на відстані світлових років від нашої сонячної системи, таких як інші зіркові системи, залишки наднових та активні ядра галактик".
