Högt över ytan, Jordens magnetfält avleder ständigt inkommande överljudspartiklar från solen. Dessa partiklar störs i områden strax utanför jordens magnetfält - och en del reflekteras i ett turbulent område som kallas förchocken. Nya observationer från NASA:s THEMIS-uppdrag visar att denna turbulenta region kan accelerera elektroner upp till hastigheter som närmar sig ljusets hastighet. Sådana extremt snabba partiklar har observerats i rymden nära jorden och många andra platser i universum, men mekanismerna som påskyndar dem har ännu inte förståtts konkret.

De nya resultaten ger de första stegen mot ett svar, samtidigt som du öppnar fler frågor. Forskningen visar att elektroner kan accelereras till extremt höga hastigheter i en region längre från jorden än vad som tidigare trotts möjligt - vilket leder till nya förfrågningar om vad som orsakar accelerationen. Dessa fynd kan förändra de accepterade teorierna om hur elektroner kan accelereras, inte bara i stötar nära jorden, men också i hela universum. Att ha en bättre förståelse för hur partiklar får energi kommer att hjälpa forskare och ingenjörer att bättre utrusta rymdfarkoster och astronauter för att hantera dessa partiklar, vilket kan göra att utrustningen inte fungerar och påverka rymdresenärer.

"Detta påverkar i stort sett alla områden som hanterar högenergipartiklar, från studier av kosmiska strålar till solflammor och koronala massutkastningar, som har potential att skada satelliter och påverka astronauter på expeditioner till Mars, sa Lynn Wilson, huvudförfattare till artikeln om dessa resultat vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Resultaten, publicerad i Fysiska granskningsbrev den 14 november, 2016, beskriv hur sådana partiklar kan accelerera i specifika områden strax bortom jordens magnetfält. Vanligtvis, en partikel som strömmar mot jorden stöter först på ett gränsområde som kallas bågchocken, som bildar en skyddande barriär mellan solen och jorden. Magnetfältet i bogchocken saktar ner partiklarna, vilket gör att de flesta avleds bort från jorden, även om vissa reflekteras tillbaka mot solen. Dessa reflekterade partiklar bildar en region av elektroner och joner som kallas förchockregionen.

Vissa av dessa partiklar i foreshock-regionen är mycket energiska, snabbt rörliga elektroner och joner. Historiskt sett Forskare har trott att ett sätt för dessa partiklar att nå så höga energier är genom att studsa fram och tillbaka över bogchocken, få lite extra energi av varje kollision. Dock, de nya observationerna tyder på att partiklarna också kan få energi genom elektromagnetisk aktivitet i själva förchocksregionen.

Observationerna som ledde till denna upptäckt togs från en av THEMIS - förkortning för Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms - uppdragssatelliter. De fem THEMIS-satelliterna kretsade runt jorden för att studera hur planetens magnetosfär fångade och frigjorde solvindenergi, för att förstå vad som initierar de geomagnetiska substormar som orsakar norrsken. THEMIS-banorna tog rymdfarkosten över gränsområdena för foreshock. Det primära THEMIS-uppdraget avslutades framgångsrikt 2010 och nu samlar två av satelliterna in data i omloppsbana runt månen.

Verkar mellan solen och jorden, rymdfarkosten hittade elektroner som accelererade till extremt höga energier. De accelererade observationerna varade mindre än en minut, men var mycket högre än medelenergin för partiklar i regionen, och mycket högre än vad som kan förklaras enbart av kollisioner. Samtidiga observationer från rymdfarkosterna Wind och STEREO visade inga solradioskurar eller interplanetära stötar, så högenergielektronerna härrörde inte från solaktivitet.

"Det här är ett förbryllande fall eftersom vi ser energiska elektroner där vi inte tycker att de borde vara, och ingen modell passar dem, sa David Sibeck, medförfattare och THEMIS-projektforskare vid NASA Goddard. "Det finns en lucka i vår kunskap, något grundläggande saknas."

Elektronerna kan inte heller ha härrört från bågchocken, som man tidigare trott. Om elektronerna accelererades i bogchocken, de skulle ha en föredragen rörelseriktning och plats - i linje med magnetfältet och röra sig bort från bågchocken i en liten, specifik region. Dock, de observerade elektronerna rörde sig i alla riktningar, inte bara längs magnetfältslinjer. Dessutom, bågchocken kan bara producera energier vid ungefär en tiondel av de observerade elektronernas energier. Istället, orsaken till elektronernas acceleration visade sig ligga inom själva förchocksregionen.

"Det verkar tyda på att otroligt småskaliga saker gör detta eftersom de storskaliga sakerna inte kan förklara det, "Sa Wilson.

Högenergipartiklar har observerats i foreshock-regionen i mer än 50 år, men tills nu, ingen hade sett högenergielektronerna härröra från förchocksregionen. Detta beror delvis på den korta tidsskalan på vilken elektronerna accelereras, eftersom tidigare observationer hade varit i genomsnitt över flera minuter, som kan ha dolt någon händelse. THEMIS samlar in observationer mycket snabbare, vilket gör det unikt kunna se partiklarna.

Nästa, forskarna har för avsikt att samla in fler observationer från THEMIS för att fastställa den specifika mekanismen bakom elektronernas acceleration.