Астрофизики на шаг приблизились к разгадке тайны космических ускорителей частиц
Космические ударные волны являются одними из мощнейших ускорителей частиц во Вселенной, но какие именно процессы заставляют электроны разгоняться до экстремальных скоростей — до сих пор остается загадкой. Между тем ответ на этот вопрос позволил бы понять природу еще одного явления — космических лучей. В недавнем исследовании ученые предположили, что высоких энергий частицы достигают в результате сложного взаимодействия множественных механизмов ускорения.
Весомых успехов в понимании механизмов работы космических ударных волн смогли добиться американские и британские астрофизики из Университета Джонса Хопкинса и Нортумбрийского университета. В рамках исследования, опубликованного в научном журнале Nature Communications, они попытались выяснить природу бесстолкновительных ударных волн (collisionless shock waves), которые играют существенную роль в формировании космических лучей.
Последние представляют собой потоки заряженных частиц, которые отличаются высокой энергией и способны преодолевать гигантские расстояния в межзвездном пространстве. Лучи бомбардируют атмосферу Земли постоянно, приходя из космоса со всех сторон. Объяснить процесс, как электроны достигают очень высоких (релятивистских) энергий, позволяет ускорение Ферми. Этот механизм также известен как диффузионное ударное ускорение.
Считается, что при этом механизме электроны должны быть заряжены до определенной пороговой энергии изначально — только после этого состоится их ускорение. Но как частицы получают этот предварительный импульс? Ответ на этот вопрос носит название «проблема инжекции». Именно к ее разгадке и попыталась приблизиться команда двух университетов.
Основой научной работы, которую возглавили Саввас Раптис из Университета Джона Хопкинса и Ахмад Лалти из Университета Нортумбрии, послужили наблюдения двух космических аппаратов —MMS и THEMIS/ARTEMIS. В рамках первой экспедиции было исследовано взаимодействие земной магнитосферы с солнечным ветром, а во время второй — изучена плазменная среда вблизи Луны.
Ученые сопоставили результаты и проанализировали крупномасштабное событие, наблюдаемое 17 декабря 2017 года на границе головной ударной волны нашей планеты — точки, где солнечный ветер встречается с магнитосферой. В этот день электроны достигли беспрецедентного уровня энергии — более 500 кэВ, что превышает средний показатель в 500 раз. Такие значения были зафиксированы в форшоковой зоне — зоне возмущения солнечного ветра из-за взаимодействия с головной ударной волной.
Как предположили ученые, высокоэнергетические электроны появились в результате сложного взаимодействия множественных механизмов ускорения. В их числе — головная ударная волна нашей планеты, связь электронов с плазменными волнами и переходные процессы в форшоке. «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», — говорится в статье.
Результаты исследования дают новое представление о том, как ведет себя космическая плазма, а также о том, какие фундаментальные процессы отвечают за передачу энергии во Вселенной. Кроме того, это открывает новые возможности по изучению ускорения частиц за пределами Солнечной системе — в таких далеких объектах, как остатки сверхновых и активные ядра галактик. Ранее другая группа ученых представила новую теорию происхождения космических лучей — речь может идти о магнитной турбулентности.
Самое популярное
