|
Загадочные космические ударные волны
|
|
|
|
Ученые еще на шаг приблизились к пониманию того, как встречающиеся по всей Вселенной бесстолкновительные ударные волны способны разгонять частицы до экстремальных скоростей. Эти ударные волны являются одним из самых мощных ускорителей элементарных частиц в природе и давно заинтриговали ученых своей ролью в производстве космических лучей — частиц высокой энергии, которые перемещаются в космосе на огромные расстояния.
|
|
|
|
Исследование, опубликованное в Nature Communications, объединяет спутниковые наблюдения, полученные в ходе миссий НАСА MMS (Magnetosphere Multiscale) и THEMIS/ARTEMIS, с недавними теоретическими достижениями, предлагая всеобъемлющую новую модель для объяснения ускорения электронов в условиях бесстолкновительного удара.
|
|
|
|
Статья "Выявление неожиданно низкого порога инжекции электронов с помощью усиленного ударного ускорения" была написана группой международных ученых во главе с доктором Саввасом Раптисом из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса в США в сотрудничестве с доктором Ахмадом Лалти из Университета Нортумбрии.
|
|
|
|
Это исследование решает давнюю загадку астрофизики - как электроны достигают чрезвычайно высоких, или релятивистских, уровней энергии.
|
|
|
|
|
|
|
На протяжении десятилетий ученые пытались ответить на важнейший вопрос космической физики: какие процессы позволяют электронам разгоняться до релятивистских скоростей?
|
|
|
|
Основной механизм, объясняющий ускорение электронов до релятивистских энергий, называется ускорением Ферми или диффузионным ударным ускорением (DSA). Однако этот механизм требует, чтобы электроны были изначально заряжены до определенной пороговой энергии, прежде чем они будут эффективно ускорены с помощью DSA. Попытка решить, как электроны достигают этой начальной энергии, известна как "проблема инжекции".
|
|
|
|
Это новое исследование дает ключевую информацию о проблеме инжекции электронов, показывая, что электроны могут быть ускорены до высоких энергий благодаря взаимодействию различных процессов в различных масштабах.
|
|
|
|
Используя данные, полученные в режиме реального времени от миссии MMS, которая измеряет взаимодействие магнитосферы Земли с солнечным ветром, и миссии THEMIS/ARTEMIS, которая изучает плазменную среду вблизи Луны, исследовательская группа наблюдала крупномасштабное, зависящее от времени (т.е. переходное) явление выше по течению от поверхности Земли. удар носом, 17 декабря 2017 года.
|
|
|
|
Во время этого события электроны в области переднего толчка Земли — области, где солнечному ветру предшествует его взаимодействие с головной ударной волной, — достигли беспрецедентных уровней энергии, превысив 500 кэВ.
|
|
|
|
Это поразительный результат, учитывая, что электроны, наблюдаемые в области форшока, обычно находятся при энергиях ~1 кэВ.
|
|
|
|
Это исследование предполагает, что эти высокоэнергетические электроны были созданы в результате сложного взаимодействия множества механизмов ускорения, включая взаимодействие электронов с различными плазменными волнами, переходные процессы в форшоке и ударную волну в носовой части Земли.
|
|
|
|
Все эти механизмы действуют совместно, ускоряя электроны с низких энергий ~ 1 кэВ до релятивистских энергий, достигающих наблюдаемых 500 кэВ, что приводит к особенно эффективному процессу ускорения электронов.
|
|
|
|
Благодаря уточнению модели ударного ускорения, это исследование дает новое представление о работе космической плазмы и фундаментальных процессах, которые управляют передачей энергии во Вселенной.
|
|
|
|
В результате исследование открывает новые пути для понимания генерации космических лучей и дает представление о том, как явления в нашей Солнечной системе могут помочь нам понять астрофизические процессы во Вселенной.
|
|
|
|
Доктор Раптис считает, что изучение явлений в разных масштабах имеет решающее значение для понимания природы. "Большая часть наших исследований сосредоточена либо на мелкомасштабных эффектах, таких как взаимодействие волн и частиц, либо на крупномасштабных свойствах, таких как влияние солнечного ветра", - говорит он.
|
|
|
|
"Однако, как мы продемонстрировали в этой работе, объединив явления разных масштабов, мы смогли наблюдать их взаимодействие, которое в конечном итоге приводит в движение частицы в космосе".
|
|
|
|
Доктор Ахмад Лалти добавил: "Один из наиболее эффективных способов углубить наше понимание Вселенной, в которой мы живем, - это использовать околоземную плазменную среду в качестве естественной лаборатории.
|
|
|
|
"В этой работе мы используем натурные наблюдения с помощью MMS и THEMIS/ARTEMIS, чтобы показать, как различные фундаментальные плазменные процессы в разных масштабах работают согласованно, возбуждая электроны от низких энергий до высоких релятивистских энергий.
|
|
|
|
"Эти фундаментальные процессы не ограничиваются нашей солнечной системой и, как ожидается, будут происходить по всей Вселенной.
|
|
|
|
"Это делает предложенную нами структуру актуальной для лучшего понимания ускорения электронов до энергий космических лучей в астрофизических структурах, находящихся на расстоянии световых лет от нашей Солнечной системы, таких как другие звездные системы, остатки сверхновых и активные ядра галактик".
|
|
|
|
Источник
|
