Jordens magnetfält fångar högenergipartiklar. När de första satelliterna sköts upp i rymden, forskare ledda av James Van Allen upptäckte oväntat högenergipartikelstrålningsregionerna, som senare fick sitt namn efter sin upptäckare:Van Allen Radiation Belts. Visualiserat, dessa ser ut som två munkformade områden som omfattar planeten.

Nu, en ny studie ledd av forskare från GFZ German Research Center for Geosciences visar att elektroner i strålningsbälten kan accelereras till mycket höga hastigheter lokalt. Studien visar att magnetosfären fungerar som en mycket effektiv partikelaccelerator, påskynda elektroner till så kallade ultrarelativistiska energier. Studien utförd av Hayley Allison, en postdoktor vid GFZ Potsdam, och Yuri Shprits från GFZ och professor vid universitetet i Potsdam, publiceras i Naturkommunikation .

För att bättre förstå ursprunget till Van Allen-bälten, under 2012, NASA lanserade den dubbla rymdfarkosten Van Allen Probes för att korsa denna tuffaste miljö och utföra detaljerade mätningar i denna farliga region. Mätningarna inkluderade ett helt spektrum av partiklar som rörde sig med olika hastigheter och i olika riktningar, och plasmavågor. Plasmavågor liknar vågorna som vi ser på vattenytan, men är osynliga för blotta ögat. De kan jämföras med krusningar i det elektriska och magnetiska fältet.

Nyligen genomförda observationer visade att energin hos elektroner i bälten kan gå upp till så kallade ultrarelativistiska energier. Dessa elektroner, med temperaturer över 100 miljarder grader Fahrenheit, rör sig så snabbt att deras rörelseenergi är mycket högre än deras viloenergi som ges av Einsteins berömda formel E=mc ² . De är så snabba att tiden avsevärt saktar ner för dessa partiklar.

Forskare blev förvånade över att hitta dessa ultrarelativistiska elektroner och antog att så höga energier endast kan nås genom en kombination av två processer:inåtgående transport av partiklar från magnetosfärens yttre regioner, som påskyndar dem, och en lokal acceleration av partiklar av plasmavågor.

Dock, den nya studien visar att elektroner når så otroliga energier lokalt, i hjärtat av bälten, genom att ta all denna energi från plasmavågor. Denna process visar sig vara extremt effektiv. Den oväntade upptäckten av hur acceleration av partiklar till ultrarelativistiska energier fungerar i det nära jordens rymden kan hjälpa forskare att förstå de grundläggande processerna för acceleration på solen, nära yttre planeter, och även i universums avlägsna hörn, dit rymdsonder inte kan nå.