Ученые объяснили, как бесстолкновительные ударные волны в космосе разгоняют электроны до скоростей, сравнимых со скоростью света. Это поможет понять природу космических лучей.
Астрофизики из Университета Джонса Хопкинса и Нортумбрийского университета разгадали один из важнейших вопросов космологии — как электроны в космосе достигают экстремально высоких энергий. Результаты исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, основаны на данных спутниковых миссий NASA MMS и THEMIS/ARTEMIS.
Давно известно, что бесстолкновенные ударные волны, встречающиеся по всей Вселенной, способны разгонять частицы до экстремальных скоростей. Они представляют собой один из самых мощных ускорителей в природе и интересуют астрофизиков своей ролью в формировании космических лучей — высокоэнергетических частиц, которые преодолевают в космосе огромные расстояния.
На основе спутниковых наблюдений ученые создали комплексную модель, которая объясняет ускорения электронов в бесстолкновительных ударных средах. Они обнаружили, что электроны ускоряются до высоких энергий благодаря взаимному влиянию нескольких процессов, происходящих одновременно в разных масштабах.
Основной механизм, объясняющий ускорение электронов до релятивистских энергий, — ускорение Ферми или диффузионное ударное ускорение. Однако этот механизм требует, чтобы электроны изначально были заряжены до определенной пороговой энергии, прежде чем они будут ускорены.
Решить проблему этой первичной «зарядки» помогли данные миссии MMS, которая измеряет взаимодействие магнитосферы Земли с солнечным ветром, и миссии THEMIS/ARTEMIS, которая изучает плазменную среду восходящего потока вблизи Луны. Во время наблюдений 17 декабря 2017 года исследователи зафиксировали, как электроны в форшоковой области Земли достигли беспрецедентной энергии в 500 кэВ — в 500 раз выше их обычной энергии в этой области.
Ученые предполагает, что эти высокоэнергетические электроны сформировались в результате сложного взаимодействия множественных механизмов ускорения, включая взаимодействие электронов с различными плазменными волнами, переходными структурами в форшоке и головной ударной волной Земли.
Астрофизики отмечают, что исследование поможет понять процессы ускорения частиц не только в Солнечной системе, но и в далеких астрофизических объектах, таких как остатки сверхновых и активные ядра галактик. Околоземная плазменная среда послужила естественной лабораторией для изучения этих фундаментальных процессов.
