NatComm: Выяснилось, как волны разгоняют частицы до экстремальных скоростей

Ученые стали на шаг ближе к пониманию того, как ударные волны без столкновений, встречающиеся во всей Вселенной, способны разгонять частицы до экстремальных скоростей.

Эти ударные волны являются одними из самых мощных ускорителей частиц в природе и давно интригуют ученых своей ролью в производстве космических лучей — высокоэнергетических частиц, преодолевающих огромные расстояния в космосе.

Исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature Communications, объединяет спутниковые наблюдения миссий НАСА MMS (Magnetospheric Multiscale) и THEMIS/ARTEMIS с последними теоретическими достижениями и предлагает новую комплексную модель для объяснения ускорения электронов в бесстолкновительных ударных средах.

Работа была написана группой международных ученых под руководством доктора Савваса Раптиса из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (США) и 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 разогнать электроны до релятивистских скоростей?

Основной механизм, объясняющий ускорение электронов до релятивистских энергий, называется ускорением Ферми или диффузионным ударным ускорением (ДУУ). Однако этот механизм требует, чтобы электроны были первоначально заряжены до определенной пороговой энергии, прежде чем они получат эффективное ускорение DSA. Попытка выяснить, как электроны достигают этой начальной энергии, известна как «проблема инжекции».

Новое исследование дает ключевое представление о проблеме инжекции электронов, показывая, что электроны могут быть ускорены до высоких энергий благодаря взаимодействию различных процессов в разных масштабах.

Используя данные миссии MMS, измеряющей взаимодействие магнитосферы Земли с солнечным ветром, и миссии THEMIS/ARTEMIS, изучающей плазменную среду вблизи Луны, исследовательская группа наблюдала крупномасштабное, зависящее от времени (т.е. переходное) явление перед носовой ударной волной Земли 17 декабря 2017 года.

Во время этого события электроны в области переднего толчка Земли — области, где солнечный ветер предварительно возмущается после взаимодействия с носовой ударной волной, — достигли беспрецедентных уровней энергии, превышающих 500 кэВ.

Это поразительный результат, учитывая, что электроны, наблюдаемые в области форшока, обычно имеют энергию ~1 кэВ.

Результаты исследования позволяют предположить, что эти высокоэнергетические электроны были получены в результате сложного взаимодействия нескольких механизмов ускорения, включая взаимодействие электронов с различными плазменными волнами, переходными структурами в форшоке и носовой ударной волной Земли.

Все эти механизмы действуют вместе, ускоряя электроны от низких энергий ~ 1 кэВ до релятивистских энергий, достигающих наблюдаемых 500 кэВ, что приводит к особенно эффективному процессу ускорения электронов.

Уточняя модель ударного ускорения, данное исследование позволяет по-новому взглянуть на работу космической плазмы и фундаментальные процессы, управляющие переносом энергии во Вселенной.

В результате исследование открывает новые пути для понимания генерации космических лучей и позволяет понять, как явления в нашей Солнечной системе могут помочь нам понять астрофизические процессы во всей Вселенной.

Доктор Раптис считает, что изучение явлений в разных масштабах имеет решающее значение для понимания природы.

Большинство наших исследований сосредоточено 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 самых 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 MMS и THEMIS/ARTEMIS, чтобы показать, как различные фундаментальные процессы в плазме на разных масштабах работают согласованно для придания энергии электронам от низких энергий до высоких релятивистских энергий.

Эти фундаментальные процессы не ограничиваются нашей Солнечной системой и, как ожидается, происходят во всей Вселенной.

Это делает предложенную нами схему актуальной для лучшего понимания ускорения электронов до космических энергий в астрофизических структурах, удаленных на световые годы от нашей Солнечной системы, например, в других звездных системах, остатках сверхновых и активных галактических ядрах.

Ранее ученые заявили, что источником воды в лучнной почве вполне может оказаться солнечный ветер.

На иллюстрации: ударная волна и магнитное поле Земли. Частицы, приходящие от Солнца, взаимодействуют с магнитным полем Земли, образуя ударную волну (так называемый bow shock — показан красным цветом). Источник: Mark Garlick/Science Photo Library via Getty Images

13.01.2025