science >> Wetenschap >  >> Astronomie

NASA vindt ongebruikelijke oorsprong van hoogenergetische elektronen

Deze afbeelding vertegenwoordigt een van de traditionele voorgestelde mechanismen voor het versnellen van deeltjes over een schok, een shock drift acceleratie genoemd. De elektronen (geel) en protonen (blauw) zijn te zien in het botsingsgebied waar twee hete plasmabellen botsen (rode verticale lijn). De cyaan pijlen vertegenwoordigen het magnetische veld en de lichtgroene pijlen, het elektrische veld. Credit:NASA Goddard's Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman, gegevensvisualizer

Hoog boven het oppervlak, Het magnetische veld van de aarde buigt voortdurend binnenkomende supersonische deeltjes van de zon af. Deze deeltjes worden verstoord in gebieden net buiten het magnetische veld van de aarde - en sommige worden gereflecteerd in een turbulent gebied dat de voorschok wordt genoemd. Nieuwe waarnemingen van NASA's THEMIS-missie laten zien dat dit turbulente gebied elektronen kan versnellen tot snelheden die de snelheid van het licht benaderen. Dergelijke extreem snelle deeltjes zijn waargenomen in de ruimte nabij de aarde en op vele andere plaatsen in het universum, maar de mechanismen die ze versnellen zijn nog niet concreet begrepen.

De nieuwe resultaten geven de eerste stappen naar een antwoord, terwijl het openen van meer vragen. Uit het onderzoek blijkt dat elektronen kunnen worden versneld tot extreem hoge snelheden in een gebied dat verder van de aarde ligt dan eerder voor mogelijk werd gehouden - wat leidt tot nieuwe vragen over de oorzaak van de versnelling. Deze bevindingen kunnen de geaccepteerde theorieën veranderen over hoe elektronen kunnen worden versneld, niet alleen bij schokken in de buurt van de aarde, maar ook in het hele universum. Een beter begrip van hoe deeltjes worden geactiveerd, zal wetenschappers en ingenieurs helpen ruimtevaartuigen en astronauten beter uit te rusten om met deze deeltjes om te gaan, waardoor apparatuur defect kan raken en ruimtereizigers kan worden getroffen.

"Dit treft vrijwel elk veld dat zich bezighoudt met hoogenergetische deeltjes, van studies van kosmische straling tot zonnevlammen en coronale massa-ejecties, die het potentieel hebben om satellieten te beschadigen en astronauten op expedities naar Mars te beïnvloeden, " zei Lynn Wilson, hoofdauteur van het artikel over deze resultaten in het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland.

De resultaten, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op 14 november 2016, beschrijven hoe dergelijke deeltjes kunnen worden versneld in specifieke regio's net buiten het magnetische veld van de aarde. Typisch, een deeltje dat naar de aarde stroomt, ontmoet eerst een grensgebied dat bekend staat als de boegschok, die een beschermende barrière vormt tussen de zon en de aarde. Het magnetische veld in de boegschok vertraagt ​​de deeltjes, waardoor de meeste van de aarde worden afgebogen, hoewel sommige worden teruggekaatst naar de zon. Deze gereflecteerde deeltjes vormen een gebied van elektronen en ionen dat het voorschokgebied wordt genoemd.

Sommige van die deeltjes in het voorschokgebied zijn zeer energiek, snel bewegende elektronen en ionen. historisch, wetenschappers hebben gedacht dat een manier waarop deze deeltjes zulke hoge energieën bereiken, is door heen en weer te stuiteren over de boegschok, door elke botsing een beetje extra energie te krijgen. Echter, de nieuwe waarnemingen suggereren dat de deeltjes ook energie kunnen winnen door elektromagnetische activiteit in het voorschokgebied zelf.

De waarnemingen die tot deze ontdekking hebben geleid, zijn afkomstig van een van de THEMIS - een afkorting voor Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms - missiesatellieten. De vijf THEMIS-satellieten cirkelden rond de aarde om te bestuderen hoe de magnetosfeer van de planeet zonnewindenergie opvangt en vrijgeeft, om te begrijpen wat de geomagnetische substormen initieert die aurora veroorzaken. De THEMIS-banen brachten het ruimtevaartuig over de voorschokgrensgebieden. De primaire THEMIS-missie werd in 2010 succesvol afgerond en nu verzamelen twee van de satellieten gegevens in een baan rond de maan.

Deze visualisatie vertegenwoordigt een van de traditionele voorgestelde mechanismen voor het versnellen van deeltjes over een schok, een shock drift acceleratie genoemd. De elektronen (geel) en protonen (blauw) zijn te zien in het botsingsgebied waar twee hete plasmabellen botsen (rode verticale lijn). De cyaan pijlen vertegenwoordigen het magnetische veld en de lichtgroene pijlen, het elektrische veld. Credit:NASA Goddard's Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman, gegevensvisualizer

Werkend tussen de zon en de aarde, het ruimtevaartuig vond elektronen versneld tot extreem hoge energieën. De versnelde waarnemingen duurden minder dan een minuut, maar waren veel hoger dan de gemiddelde energie van deeltjes in de regio, en veel hoger dan alleen door botsingen kan worden verklaard. Gelijktijdige observaties van het Wind- en STEREO-ruimtevaartuig toonden geen zonne-radio-uitbarstingen of interplanetaire schokken, dus de hoogenergetische elektronen zijn niet afkomstig van zonneactiviteit.

"Dit is een raadselachtige zaak omdat we energetische elektronen zien waar we niet denken dat ze zouden moeten zijn, en geen enkel model past bij hen, " zei David Sibeck, co-auteur en THEMIS-projectwetenschapper bij NASA Goddard. "Er is een leemte in onze kennis, er ontbreekt iets fundamenteels."

De elektronen kunnen ook niet afkomstig zijn van de boegschok, zoals eerder werd gedacht. Als de elektronen werden versneld in de boegschok, ze zouden een voorkeursbewegingsrichting en -locatie hebben - in lijn met het magnetische veld en weg van de boegschok in een kleine, specifieke regio. Echter, de waargenomen elektronen bewogen in alle richtingen, niet alleen langs magnetische veldlijnen. Aanvullend, de boegschok kan slechts energieën produceren van ongeveer een tiende van de energieën van de waargenomen elektronen. In plaats daarvan, de oorzaak van de versnelling van de elektronen bleek in het voorschokgebied zelf te liggen.

"Het lijkt erop te wijzen dat ongelooflijk kleine dingen dit doen omdat de grootschalige dingen het niet kunnen verklaren, ' zei Wilson.

In het voorschokgebied worden al meer dan 50 jaar hoogenergetische deeltjes waargenomen, maar tot nu toe, niemand had gezien dat de hoogenergetische elektronen uit het voorschokgebied kwamen. Dit komt deels door de korte tijdschaal waarop de elektronen worden versneld, aangezien eerdere waarnemingen gemiddeld waren over enkele minuten, die een gebeurtenis kan hebben verborgen. THEMIS verzamelt waarnemingen veel sneller, waardoor het uniek in staat is om de deeltjes te zien.

Volgende, de onderzoekers zijn van plan meer waarnemingen van THEMIS te verzamelen om het specifieke mechanisme achter de versnelling van de elektronen te bepalen.