Немного физики: как Земля ускоряет электроны до околосветовых скоростей
Достижение скоростей, близких к скорости света, для частиц с массой — сложный процесс. Однако в некоторых случаях магнитное поле планеты способен настолько сильно разогнать электрон. И это может сделать поток элементарных частиц опасным для искусственных спутников
При сверхвысоких энергиях электроны могут двигаться почти со скоростью света. Тогда релятивистские эффекты становятся все более выраженными. Масса частиц увеличивается, время для них замедляется, а линейные размеры в направлении скорости — уменьшаются, и тело «сплющивается». При высоких энергиях частицы становятся опасными для искусственных спутников Земли: они могут повредить чувствительную электронику.
До недавних пор было непонятно, как эти частицы с ненулевой массой могут так сильно ускоряться рядом с нашей планетой. Чтобы выяснить это, исследователи Немецкого исследовательского центра геонаук использовали данные зонда NASA, который был запущен в 2012 году для изучения радиационного пояса Земли — области магнитосферы нашей планеты, где удерживаются заряженные частицы — протоны и электроны. В этой области положительно и отрицательно заряженные частицы образуют плазму.
Как оказалось, именно эта плазма обычно тормозит электроны, не давая им сильно разгоняться. Исследования показали, что плотность фоновой плазмы — решающий фактор, играющий роль в ускорении электронов до сверхвысоких энергий. Концентрация частиц с субрелятивистскими энергиями увеличивалась только тогда, когда плотность плазмы падала до очень низких значений — всего около десяти частиц на кубический сантиметр, тогда как обычно этот показатель был в пять-десять раз выше.
Используя численную модель, которая включала такое сильное падение плотности плазмы, авторы показали, что периоды низкой плотности создают наилучшие условия для ускорения электронов. Частицы, которые изначально имели энергию порядка начальных нескольких сотен тысяч электрон-вольт, разгоняются до более чем семи миллионов эВ. По словам исследователей, подобные механизмы могут работать в магнитосферах внешних планет, таких как Юпитер или Сатурн, а также в других астрофизических объектах.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.