Новое исследование с использованием зондов RBSP миссии NASA Van Allen Probes помогает прояснить научную неопределённость, связанную с происхождением ультрарелятивистских электронов в среде ближнего космического пространства Земли, и, вероятно, повлияет на представление учёных о планетарных магнитосферах, существующих во Вселенной.
Понимание процессов, которые управляют порядком и окончательной потерей таких релятивистских электронов, является основной научной целью зондов Van Allen Probes, и имеет важное практическое применение в связи с огромным количеством излучения, пойманного в «ловушку» в пределах двух радиационных поясов Ван Аллена. Радиационные пояса, состоящие из высокоэнергетических заряженных частиц (в большей степени из протонов и электронов), были обнаружены выше верхних слоёв атмосферы Земли в 1958 году американским учёным Джейсоном ван Алленом. Они могут представлять потенциальную опасность для спутников и космических кораблей, а также астронавтов во время выходов в открытый космос.
Такие электроны во внешнем радиационном поясе Земли могут проявлять ярко выраженное увеличение интенсивности в ответ на солнечную активность, а также на изменения в солнечном ветре. Тем не менее доминирующие физические механизмы, ответственные за такое ускорение электронов радиационного пояса, до сих пор не понятны учёным.
Выделяют двух основных «кандидатов», ответственных за ускорение электронов. Один из них условно называют «внутренним», а второй – «внешним». Учёные полагают, что с внешней стороны радиационных поясов за ускорение может отвечать так называемый «внутренний радиальный диффузионный перенос», механизм которого существует только в теории. Исследователи выдвигают и другую гипотезу, согласно которой изнутри радиационных поясов электроны подвергаются мощному локальному ускорению от низкочастотных плазменных волн. Учёные не могут прийти к общему мнению относительно самой природы волнового ускорения: действительно, ли этот процесс стохастический – то есть диффузный линейный процесс, либо, наоборот, нелинейный и последовательный?
В исследовании, опубликованном 19 декабря 2013 года в журнале Nature, автор статьи Richard Thorne и его коллеги представили отчет о результатах анализа данных, полученных космическими аппаратами Van Allen Probes, которые указывают на локальное ускорение электронов внутри радиационных поясов Ван Аллена. Команда наблюдала за высокоэнергетическими электронами во время геомагнитной бури 9 октября 2012 года. Проведенный исследователями анализ показал, что линейное, стохастическое рассеивание естественных низкочастотных радиоволн в верхних слоях атмосферы может объяснить наблюдаемое релятивисткой ускорение электронов.
По словам David Sibeck из Goddard Space Flight Center, который входит в научную команду миссии Van Allen Probes, успешное детализированное сопоставление особенностей радиационных поясов Ван Аллена с моделью, разработанной Richard Thorne и его командой, демонстрирует значимость ускорения частиц в пределах радиационных поясов Земли.
Детальное моделирование, описанное в статье журнала Nature, вместе с предыдущими исследованиями, результаты которых в этом году неоднократно публиковались в журнале Science, демонстрирует удивительную эффективность ускорения электронов за счет естественных волн в ближнем космическом пространстве Земли. По словам учёного из University of California Thorne, проведенное исследование доказывает, что наблюдаемое в радиационных поясах ускорение во время геомагнитной бури никоем образом не связанно с радиальной диффузией.
Локальный волновой процесс ускорения — это универсальный физический процесс, который может быть применим и к магнитосферам Юпитера, Сатурна и прочей намагниченной плазменной космической среде. По словам Thorne, новые результаты более детализированного анализа смогут в будущем значимо повлиять на моделирование магнитосфер других планет.
По мнению научного руководителя Van Allen Probes из Johns Hopkins Applied Physics Laboratory Barry Mauk, новое исследование играет чрезвычайно важное значение для понимания многих процессов, связанных с поведением заряженных частиц в радиационных поясах.
