En ny studie visade att elektroner kan nå ultra-relativistiska energier för mycket speciella förhållanden i magnetosfären när rymden saknar plasma.

Nya mätningar från NASA:s Van Allen Probes-rymdfarkoster visade att elektroner kan nå ultra-relativistiska energier som flyger med nästan ljusets hastighet. Hayley Allison, Yuri Shprits och medarbetare från det tyska forskningscentret för geovetenskap har avslöjat under vilka förhållanden så starka accelerationer uppstår. De hade redan 2020 visat att plasmavågor under solstorm spelar en avgörande roll för det. Dock, det var tidigare oklart varför så höga elektronenergier inte uppnås i alla solstormar. I journalen Vetenskapliga framsteg , Allison, Shprits och kollegor visar nu att extrema utarmningar av plasmatätheten i bakgrunden är avgörande.

Ultra-relativistiska elektroner i rymden

Vid ultra-relativistiska energier, elektroner rör sig med nästan ljusets hastighet. Då blir relativitetens lagar viktigast. Partiklarnas massa ökar med en faktor tio, tiden saktar ner, och avståndet minskar. Med så höga energier, laddade partiklar blir farligast för även de bäst skyddade satelliterna. Eftersom nästan ingen skärmning kan stoppa dem, deras laddning kan förstöra känslig elektronik. Förutsäga deras inträffande - till exempel som en del av observationerna av rymdväder som praktiseras vid GFZ - är därför mycket viktigt för modern infrastruktur.

För att undersöka förutsättningarna för elektronernas enorma accelerationer, Allison och Shprits använde data från ett tvillinguppdrag, Van Allen -sonderna, som den amerikanska rymdorganisationen NASA hade lanserat 2012. Syftet var att göra detaljerade mätningar i strålningsbältet, det så kallade Van Allen-bältet, som omger jorden i en munkform i markens rymd. Här-som i resten av rymden-bildar en blandning av positivt och negativt laddade partiklar en så kallad plasma. Plasmavågor kan förstås som fluktuationer i det elektriska och magnetiska fältet, upphetsad av solstormar. De är en viktig drivkraft för accelerationen av elektroner.

Dataanalys med maskininlärning

Under uppdraget, både solstormar som producerade ultra-relativistiska elektroner och stormar utan denna effekt observerades. Tätheten av bakgrundsplasma visade sig vara en avgörande faktor för den starka accelerationen:elektroner med de ultra-relativistiska energierna observerades bara att öka när plasmatätheten sjönk till mycket låga värden på endast cirka tio partiklar per kubikcentimeter, medan en sådan densitet normalt är fem till tio gånger högre.

Med hjälp av en numerisk modell som införlivade en sådan extrem plasmakonsumtion, författarna visade att perioder med låg densitet skapar förmånliga förhållanden för accelerationen av elektroner - från några få hundra tusen till mer än sju miljoner elektronvolt. För att analysera data från Van Allen -sonderna, forskarna använde maskininlärningsmetoder, vars utveckling finansierades av GEO.X -nätverket. De gjorde det möjligt för författarna att utläsa den totala plasmatätheten från de uppmätta fluktuationerna i elektriska och magnetiska fält.

Plasmas avgörande roll

"Denna studie visar att elektroner i jordens strålningsbälte snabbt kan accelereras lokalt till ultra-relativistiska energier, om förhållandena i plasmamiljön - plasmavågor och tillfälligt låg plasmatäthet - stämmer. Partiklarna kan betraktas som surfande på plasmavågor. I områden med extremt låg plasmadensitet kan de bara ta mycket energi från plasmavågor. Liknande mekanismer kan fungera i magnetosfären på de yttre planeterna som Jupiter eller Saturnus och i andra astrofysiska föremål, "säger Yuri Shprits, chef för GFZ -sektionen Rymdfysik och rymdväder och professor vid University of Potsdam.

"Således, att nå sådana extrema energier, en accelerationsprocess i två steg behövs inte, som länge antaget - först från magnetosfärens yttre område in i bältet och sedan inuti. Detta stöder också våra forskningsresultat från förra året, "tillägger Hayley Allison, PostDoc i avsnittet Rymdfysik och rymdväder.