NatComm: Выяснилось, как волны разгоняют частицы до экстремальных скоростей

Ученые стали на шаг ближе к пониманию того, как ударные волны без столкновений, встречающиеся во всей Вселенной, способны разгонять частицы до экстремальных скоростей.

Эти ударные волны являются одними из самых мощных ускорителей частиц в природе и давно интригуют ученых своей ролью в производстве космических лучей — высокоэнергетических частиц, преодолевающих огромные расстояния в космосе.

Исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature Communications, объединяет спутниковые наблюдения миссий НАСА MMS (Magnetospheric Multiscale) и THEMIS/ARTEMIS с последними теоретическими достижениями и предлагает новую комплексную модель для объяснения ускорения электронов в бесстолкновительных ударных средах.

Работа была написана группой международных ученых под руководством доктора Савваса Раптиса из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (США) и в сотрудничестве с доктором Ахмадом Лалти из Университета Нортумбрии.

Это исследование решает давнюю загадку астрофизики — как электроны достигают чрезвычайно высоких, или релятивистских, уровней энергии.

На протяжении десятилетий ученые пытались ответить на важнейший вопрос космической физики: Какие процессы позволяют разогнать электроны до релятивистских скоростей?

Основной механизм, объясняющий ускорение электронов до релятивистских энергий, называется ускорением Ферми или диффузионным ударным ускорением (ДУУ). Однако этот механизм требует, чтобы электроны были первоначально заряжены до определенной пороговой энергии, прежде чем они получат эффективное ускорение DSA. Попытка выяснить, как электроны достигают этой начальной энергии, известна как «проблема инжекции».

Новое исследование дает ключевое представление о проблеме инжекции электронов, показывая, что электроны могут быть ускорены до высоких энергий благодаря взаимодействию различных процессов в разных масштабах.

Используя данные миссии MMS, измеряющей взаимодействие магнитосферы Земли с солнечным ветром, и миссии THEMIS/ARTEMIS, изучающей плазменную среду вблизи Луны, исследовательская группа наблюдала крупномасштабное, зависящее от времени (т.е. переходное) явление перед носовой ударной волной Земли 17 декабря 2017 года.

Во время этого события электроны в области переднего толчка Земли — области, где солнечный ветер предварительно возмущается после взаимодействия с носовой ударной волной, — достигли беспрецедентных уровней энергии, превышающих 500 кэВ.

Это поразительный результат, учитывая, что электроны, наблюдаемые в области форшока, обычно имеют энергию ~1 кэВ.

Результаты исследования позволяют предположить, что эти высокоэнергетические электроны были получены в результате сложного взаимодействия нескольких механизмов ускорения, включая взаимодействие электронов с различными плазменными волнами, переходными структурами в форшоке и носовой ударной волной Земли.

Все эти механизмы действуют вместе, ускоряя электроны от низких энергий ~ 1 кэВ до релятивистских энергий, достигающих наблюдаемых 500 кэВ, что приводит к особенно эффективному процессу ускорения электронов.

Уточняя модель ударного ускорения, данное исследование позволяет по-новому взглянуть на работу космической плазмы и фундаментальные процессы, управляющие переносом энергии во Вселенной.

В результате исследование открывает новые пути для понимания генерации космических лучей и позволяет понять, как явления в нашей Солнечной системе могут помочь нам понять астрофизические процессы во всей Вселенной.

Доктор Раптис считает, что изучение явлений в разных масштабах имеет решающее значение для понимания природы.

Большинство наших исследований сосредоточено либо на мелкомасштабных эффектах, таких как взаимодействие волн и частиц, либо на крупномасштабных свойствах, таких как влияние солнечного ветра, — говорит он.

Однако, как мы продемонстрировали в этой работе, объединив явления разных масштабов, мы смогли наблюдать их взаимодействие, которое в конечном итоге приводит в движение частицы в космосе.

Доктор Ахмад Лалти добавил:

Один из самых эффективных способов углубить наше понимание Вселенной, в которой мы живем, — это использовать околоземную плазменную среду в качестве естественной лаборатории.

В этой работе мы используем натурные наблюдения с MMS и THEMIS/ARTEMIS, чтобы показать, как различные фундаментальные процессы в плазме на разных масштабах работают согласованно для придания энергии электронам от низких энергий до высоких релятивистских энергий.

Эти фундаментальные процессы не ограничиваются нашей Солнечной системой и, как ожидается, происходят во всей Вселенной.

Это делает предложенную нами схему актуальной для лучшего понимания ускорения электронов до космических энергий в астрофизических структурах, удаленных на световые годы от нашей Солнечной системы, например, в других звездных системах, остатках сверхновых и активных галактических ядрах.

Ранее ученые заявили, что источником воды в лучнной почве вполне может оказаться солнечный ветер.

На иллюстрации: ударная волна и магнитное поле Земли. Частицы, приходящие от Солнца, взаимодействуют с магнитным полем Земли, образуя ударную волну (так называемый bow shock — показан красным цветом). Источник: Mark Garlick/Science Photo Library via Getty Images

13.01.2025


Подписаться в Telegram



Космос

Свет из прошлого: «Евклид» открыл редкое космическое явление
Свет из прошлого: «Евклид» открыл редкое космическое явление

1 июля 2023 года космическая обсерватория Eucl...

13 миллиардов лет назад: как темная материя управляла галактиками
13 миллиардов лет назад: как темная материя управляла галактиками

Международная группа ученых нашла темную матер...

Небо в опасности: космический мусор угрожает авиации
Небо в опасности: космический мусор угрожает авиации

Космический мусор на орбите Земли станови...

Марсианские дюны под микроскопом: что скрывает Красная планета
Марсианские дюны под микроскопом: что скрывает Красная планета

Песчаные дюны на Марсе могут раскрыть тай...

Ученые открыли важный компонент звездообразования
Ученые открыли важный компонент звездообразования

Астрономы давно ищут ключевой фактор, который ...

Пять крупных инноваторов присоединяются к US Quantum in Space Collaboration
Пять крупных инноваторов присоединяются к US Quantum in Space Collaboration

Управление по технологическим переходам М...

Руководитель Biomass Майкл Ферингер, ESA: Мы передадим спутник людям
Руководитель Biomass Майкл Ферингер, ESA: Мы передадим спутник людям

Европейское космическое агентство, ESA, планир...

Астрономы в реальном времени увидели формирование джетов черных дыр
Астрономы в реальном времени увидели формирование джетов черных дыр

Впервые международная группа ученых наблюдала ...

Открытие аксиона поможет понять загадочные свойства темной материи
Открытие аксиона поможет понять загадочные свойства темной материи

Темная материя, которую часто называют невидим...

Борьба со складками: инновационный метод для космических мембран
Борьба со складками: инновационный метод для космических мембран

Выход за пределы земной гравитации требуе...

Новая миссия NASA Artemis LEXI покажет, как работает магнитный щит Земли
Новая миссия NASA Artemis LEXI покажет, как работает магнитный щит Земли

Новая революционная миссия в рамках прогр...

Найдены древние водоносные горизонты под поверхностью Марса
Найдены древние водоносные горизонты под поверхностью Марса

Марс, загадочная Красная планета, давно поража...

Как физика нейтрино раскрывает секреты Вселенной
Как физика нейтрино раскрывает секреты Вселенной

Нейтринная физика стала одной из самых пе...

A&A: Event Horizon Telescope продолжает раскрывать тайны черных дыр
A&A: Event Horizon Telescope продолжает раскрывать тайны черных дыр

Получив первые изображения черных дыр, новатор...

PNAS: Ученый посоветовал забыть о жидкой воде на Марсе
PNAS: Ученый посоветовал забыть о жидкой воде на Марсе

Более ста лет назад ученый Персиваль...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Невидимые враги: как ароматизаторы превращают ваш дом в угрозу для здоровья
Невидимые враги: как ароматизаторы превращают ваш дом в угрозу для здоровья
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Cell Reports: Голодание приносит пользу взрослым, но создает риск для подростков
Cell Reports: Голодание приносит пользу взрослым, но создает риск для подростков
69 ученых, которые меняют мир: история успеха из Нижнего Новгорода
69 ученых, которые меняют мир: история успеха из Нижнего Новгорода
Спасти жизнь за минуты сможет кетамин в борьбе с эпилептическим статусом
Спасти жизнь за минуты сможет кетамин в борьбе с эпилептическим статусом
Как взрываются звезды: открытия, которые меняют наше представление о Вселенной
Как взрываются звезды: открытия, которые меняют наше представление о Вселенной
Как получить инструмент будущих инженеров бесплатно, если ты студент
Как получить инструмент будущих инженеров бесплатно, если ты студент
От шахт до чистой энергии: путь австралийской горнодобывающей промышленности
От шахт до чистой энергии: путь австралийской горнодобывающей промышленности
Больничные раковины и невидимый враг, который в них живет
Больничные раковины и невидимый враг, который в них живет
Цикорий и кобальт: дуэт против рака, бьющий точно в цель
Цикорий и кобальт: дуэт против рака, бьющий точно в цель
Без капитана, но с комфортом: в Нижнем Новгороде строят судно без экипажа
Без капитана, но с комфортом: в Нижнем Новгороде строят судно без экипажа
Лазер, графен, полимер: как создают электронику, которую можно сгибать
Лазер, графен, полимер: как создают электронику, которую можно сгибать
Ученые объединили два прибора в один, чтобы лучше анализировать газы
Ученые объединили два прибора в один, чтобы лучше анализировать газы
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Удаленка навсегда: как бизнес адаптируется к новым реалиям
Удаленка навсегда: как бизнес адаптируется к новым реалиям

Новости компаний, релизы

Более 200 нижегородцев посетили научные кинопоказы честь Дня российской науки
Школьников и студентов Хабаровского края приглашают написать всероссийский диктант «Наука во имя Победы»
На Фестивале «Москва — Точка старта» победили проекты из МИФИ
Молодых и заслуженных ученых наградили в Хабаровске
Калужан приглашают к участию в XIII сезоне Международного инженерного чемпионата CASE-IN