Een nieuwe studie wees uit dat elektronen ultrarelativistische energieën kunnen bereiken voor zeer speciale omstandigheden in de magnetosfeer wanneer de ruimte verstoken is van plasma.

Recente metingen van NASA's Van Allen Probes-ruimtevaartuig toonden aan dat elektronen ultrarelativistische energieën kunnen bereiken die met bijna de snelheid van het licht vliegen. Hayley Allison, Yuri Shprits en medewerkers van het Duitse onderzoekscentrum voor geowetenschappen hebben onthuld onder welke omstandigheden zulke sterke versnellingen plaatsvinden. Dat tijdens zonnestormen plasmagolven daarvoor een cruciale rol spelen, hadden ze in 2020 al aangetoond. Echter, het was voorheen onduidelijk waarom zulke hoge elektronenenergieën niet in alle zonnestormen worden bereikt. In het journaal wetenschappelijke vooruitgang , Allison, Shprits en collega's laten nu zien dat extreme uitputting van de achtergrondplasmadichtheid cruciaal is.

Ultra-relativistische elektronen in de ruimte

Bij ultra-relativistische energieën, elektronen bewegen met bijna de lichtsnelheid. Dan worden de relativiteitswetten het belangrijkst. De massa van de deeltjes neemt met een factor tien toe, de tijd vertraagt, en de afstand wordt kleiner. Met zulke hoge energieën, geladen deeltjes worden het gevaarlijkst voor zelfs de best beschermde satellieten. Omdat bijna geen enkele afscherming ze kan stoppen, hun lading kan gevoelige elektronica vernietigen. Het voorspellen van hun optreden, bijvoorbeeld als onderdeel van de waarnemingen van ruimteweer die bij de GFZ worden uitgevoerd, is daarom erg belangrijk voor moderne infrastructuur.

Om de voorwaarden voor de enorme versnellingen van de elektronen te onderzoeken, Allison en Shprits gebruikten gegevens van een dubbele missie, de Van Allen-sondes, die de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA in 2012 had gelanceerd. Het doel was om gedetailleerde metingen te doen in de stralingsgordel, de zogenaamde Van Allengordel, die de aarde in de vorm van een donut in de aardse ruimte omringt. Hier - net als in de rest van de ruimte - vormt een mengsel van positief en negatief geladen deeltjes een zogenaamd plasma. Plasmagolven kunnen worden opgevat als fluctuaties van het elektrische en magnetische veld, opgewonden door zonnestormen. Ze zijn een belangrijke drijvende kracht voor de versnelling van elektronen.

Gegevensanalyse met machine learning

Tijdens de missie, zowel zonnestormen die ultrarelativistische elektronen produceerden als stormen zonder dit effect werden waargenomen. De dichtheid van het achtergrondplasma bleek een beslissende factor te zijn voor de sterke versnelling:elektronen met de ultrarelativistische energieën namen pas toe als de plasmadichtheid daalde tot zeer lage waarden van slechts ongeveer tien deeltjes per kubieke centimeter, terwijl normaal gesproken een dergelijke dichtheid vijf tot tien keer hoger is.

Met behulp van een numeriek model waarin een dergelijke extreme plasma-uitputting is verwerkt, de auteurs toonden aan dat perioden van lage dichtheid preferentiële omstandigheden creëren voor de versnelling van elektronen - van een eerste paar honderdduizend tot meer dan zeven miljoen elektronvolt. Om de gegevens van de Van Allen-sondes te analyseren, de onderzoekers gebruikten machinale leermethoden, waarvan de ontwikkeling werd gefinancierd door het GEO.X-netwerk. Ze stelden de auteurs in staat om de totale plasmadichtheid af te leiden uit de gemeten fluctuaties van elektrisch en magnetisch veld.

De cruciale rol van plasma

"Deze studie toont aan dat elektronen in de stralingsgordel van de aarde onmiddellijk lokaal kunnen worden versneld tot ultrarelativistische energieën, als de omstandigheden van de plasma-omgeving - plasmagolven en tijdelijk lage plasmadichtheid - juist zijn. De deeltjes kunnen worden beschouwd als surfen op plasmagolven. In gebieden met een extreem lage plasmadichtheid kunnen ze juist veel energie uit plasmagolven halen. Soortgelijke mechanismen kunnen aan het werk zijn in de magnetosferen van de buitenplaneten zoals Jupiter of Saturnus en in andere astrofysische objecten, " zegt Joeri Shprits, hoofd van de sectie GFZ Ruimtefysica en ruimteweer en hoogleraar aan de Universiteit van Potsdam.

"Dus, om zulke extreme energieën te bereiken, een acceleratieproces in twee fasen is niet nodig, zoals lang werd aangenomen - eerst vanuit het buitenste gebied van de magnetosfeer in de gordel en vervolgens naar binnen. Dit ondersteunt ook onze onderzoeksresultaten van vorig jaar, " voegt Hayley Allison toe, PostDoc in de sectie Ruimtefysica en ruimteweer.