Forskere vidste noget accelereret partikler i bælterne til 99 procent lysets hastighed. Nye resultater viser, at accelerationsenergien kommer inden i selve bælterne.
Forskere har opdaget en massiv partikelaccelerator i hjertet af en af de hårdeste regioner i det nærjordiske rum, et område med superenergiske, ladede partikler, der omgiver kloden, kaldet Van Allen-strålingsbælterne. Forskere vidste, at noget i rummet accelererede partikler i strålingsbæltene til mere end 99 procent af lysets hastighed, men de vidste ikke, hvad det var. Nye resultater fra NASAs Van Allen Probes viser nu, at accelerationsenergien kommer inden i selve bælterne. Partikler inde i bælterne fremskyndes af lokale energibesparelser, der buffrer partiklerne til stadig hurtigere hastigheder, ligesom et perfekt tidsindstillet skub på en bevægelig sving.
Opdagelsen af, at partiklerne er accelereret af en lokal energikilde, svarer til opdagelsen af, at orkaner vokser fra en lokal energikilde, såsom en region med varmt havvand. I tilfælde af strålingsbælter er kilden et område med intense elektromagnetiske bølger, der tapper energi fra andre partikler i samme område. At kende placeringen af accelerationen vil hjælpe videnskabsmænd med at forbedre vejrforudsigelser i rummet, fordi ændringer i strålingsbælterne kan være risikabelt for satellitter nær Jorden. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Science den 25. juli 2013.
Nylige observationer fra NASAs tvilling Van Allen Probes viser, at partikler i strålingsbælterne, der omgiver Jorden, fremskyndes med et lokalt spark af energi, hvilket hjælper med at forklare, hvordan disse partikler når hastigheder på 99 procent lysets hastighed. Billedkredit: G. Reeves / M. Henderson
For at forskere skal forstå bælterne bedre, var Van Allen-proberne designet til at flyve lige gennem dette intense rumområde. Da missionen blev lanceret i august 2012, havde den øverste mål at forstå, hvordan partikler i bælterne accelereres til ultrahøje energier, og hvordan partiklerne undertiden kan undslippe. Ved at bestemme, at denne superhurtige acceleration kommer fra disse lokale spark af energi, i modsætning til en mere global proces, har forskere været i stand til definitivt at besvare et af disse vigtige spørgsmål for første gang.
”Dette er et af de mest forventede og spændende resultater fra Van Allen-proberne,” sagde David Sibeck, Van Allen Probes-projektforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md. ”Det hører hjertet til, hvorfor vi lancerede mission."
Strålingsbælterne blev opdaget ved lanceringen af de allerførste succesrige amerikanske satellitter sendt i rummet, Explorers I og III. Man blev hurtigt klar over, at bælterne var nogle af de mest farlige miljøer, som et rumfartøj kan opleve. De fleste satellitbaner er valgt til at dukke under strålingsremme eller cirkle uden for dem, og nogle satellitter, såsom GPS-rumfartøjer, skal fungere mellem de to bælter. Når bælterne svulmer på grund af indkommende rumvejr, kan de omfatte dette rumfartøj og udsætte dem for farlig stråling. Faktisk er et betydeligt antal permanente svigt i rumfartøjet forårsaget af stråling. Med nok advarsel kan vi beskytte teknologi mod de værste konsekvenser, men en sådan advarsel kan kun opnås, hvis vi virkelig forstår dynamikken i, hvad der sker inden i disse mystiske bælter.
”Indtil 1990'erne troede vi, at Van Allen-bælterne var temmelig velopdragne og ændrede sig langsomt,” sagde Geoff Reeves, den første forfatter på papiret og en strålingsbåndforsker ved Los Alamos National Laboratory i Los Alamos, NM “Med mere og flere målinger, indså vi dog, hvor hurtigt og uforudsigeligt strålingsbælterne ændrede sig. De er dybest set aldrig i balance, men i en konstant forandringstilstand. ”
Faktisk indså videnskabsmænd, at bælterne ikke engang ændrer sig konsekvent som svar på, hvad der synes at være lignende stimuli. Nogle solstorme fik bælterne til at intensivere; andre fik remmen til at blive udtømt, og nogle syntes at have næsten ingen effekt overhovedet. Sådanne forskellige effekter fra tilsyneladende lignende begivenheder antydede, at denne region er meget mere mystisk end tidligere antaget. For at forstå - og til sidst forudsige - hvilke solstorme der vil intensivere strålingsbælterne, vil forskere vide, hvor energien, der accelererer partiklerne kommer fra.
De tvillede Van Allen-prober var designet til at skelne mellem to brede muligheder for, hvilke processer der accelererer partiklerne til så fantastiske hastigheder: radial acceleration eller lokal acceleration. Ved radial acceleration transporteres partikler vinkelret på magnetfelterne, der omgiver Jorden, fra områder med lav magnetisk styrke langt fra Jorden til områder med høj magnetisk styrke nærmere Jorden. Fysikkens love dikterer, at partikelhastigheden i dette scenarie vil fremskynde, når magnetfeltstyrken øges. Så hastigheden ville stige, efterhånden som partiklerne bevæger sig mod Jorden, meget som en klippe, der ruller ned ad bakken, samler hastighed simpelthen på grund af tyngdekraften. Den lokale accelerationsteori antyder, at partiklerne får energi fra en lokal energikilde, der ligner den måde, hvidt havvand gyder en orkan over det.
To skår af partikler, der omgiver Jorden, kaldet strålingsbælterne, er en af de største naturlige acceleratorer i solsystemet og er i stand til at skubbe partikler op til 99% lysets hastighed. Van Allen-proberne, der blev lanceret i august 2012, har nu opdaget mekanismer bag denne acceleration. Billedkredit: NASA / Goddard / Scientific Visualization Studio
For at skelne mellem disse muligheder består Van Allen-proberne af to rumfartøjer. Med to sæt observationer kan forskere måle partikler og energikilder i to områder i rummet samtidig, hvilket er vigtigt for at skelne mellem årsager, der forekommer lokalt eller kommer langt fra. Hvert rumfartøj er også udstyret med sensorer til måling af partikelenergi og position og bestemmelse af stigningsvinkel - det vil sige bevægelsesvinklen i forhold til Jordens magnetiske felter. Alle disse vil ændre sig på forskellige måder afhængigt af de kræfter, der virker på dem, og således hjælpe forskere med at skelne mellem teorierne.
Udstyret med sådanne data observerede Reeves og hans team en hurtig energiforøgelse af højenergi-elektroner i strålingsbælterne den 9. oktober 2012. Hvis accelerationen af disse elektroner forekom på grund af radial transport, ville man måle effekter, der starter først langt fra Jorden og bevæger sig indad på grund af formen og styrken af de omkringliggende felter. I et sådant scenarie springer partikler, der bevæger sig hen over magnetiske felter, naturligt fra det ene til det næste i en lignende kaskade og samler hastighed og energi undervejs - korrelerer med det scenarie med klipper, der ruller ned ad en bakke.
Men observationerne viste ikke en intensivering, der dannede sig længere væk fra Jorden og gradvist bevægede sig indad. I stedet for viste de en stigning i energi, der startede lige midt i strålebælterne og gradvist spredte sig både indad og udad, hvilket indebærer en lokal accelerationskilde.
"I dette særlige tilfælde fandt al acceleration sted på cirka 12 timer," sagde Reeves. ”Med tidligere målinger kunne en satellit måske kun have været i stand til at flyve gennem en sådan begivenhed en gang og ikke få en chance for at se de ændringer, der faktisk sker. Med Van Allen-proberne har vi to satellitter og kan så observere, hvordan ting ændrer sig, og hvor disse ændringer starter. ”
Forskere mener, at disse nye resultater vil føre til bedre forudsigelser af den komplekse kæde af begivenheder, der intensiverer strålingsbælterne til niveauer, der kan deaktivere satellitter. Mens arbejdet viser, at den lokale energi kommer fra elektromagnetiske bølger, der går gennem bælterne, vides det ikke nøjagtigt, hvilke sådanne bølger der kan være årsagen. Under det sæt observationer, der er beskrevet i papiret, observerede Van Allen-proberne en bestemt slags bølge kaldet korbølger på samme tid som partiklerne blev accelereret, men der skal gøres mere arbejde for at bestemme årsag og virkning.
"Dette papir hjælper med at skelne mellem to brede løsninger," sagde Sibeck. ”Dette viser, at accelerationen kan ske lokalt. Nu vil de videnskabsfolk, der studerer bølger og magnetiske felter, hoppe ind for at gøre deres job og finde ud af, hvilken bølge der gav skub.
Heldigvis vil en sådan opgave også blive hjulpet med Van Allen-proberne, som også blev omhyggeligt designet til at måle og skelne mellem de mange typer elektromagnetiske bølger.
”Da forskere designede missionen og instrumenteringen på sonderne, kiggede de på de videnskabelige ukendte og sagde: 'Dette er en stor chance for at låse nogle grundlæggende viden om, hvordan partikler accelereres,' sagde Nicola J. Fox, viceprojektforsker ved Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory i Laurel, Md."Med fem identiske suiter af instrumenter om bord på dobbelt rumfartøj - hver med en bred vifte af partikel- og felt- og bølgedetektion - har vi den bedste platform nogensinde skabt for bedre at forstå dette kritiske område af rummet over Jorden."
via NASA