Юпитер разгоняет электроны до скорости, близкой к скорости света

Фото из открытых источников

Согласно новому анализу данных, полученных космическим аппаратом НАСА «Юнона», ударная волна гигантской планеты не просто отклоняет солнечный ветер, а действует как мощный ускоритель частиц, разгоняя электроны до релятивистских энергий не менее 1 МэВ. Статья исследовательской группы была опубликована года в журнале Nature.

Удары — это возмущения, создаваемые движущимся в жидкости объектом/жидкостью, скорость движения которого превышает местную скорость звука, вызывая резкое изменение давления на границе раздела жидкости и жидкости.

Типичными примерами являются ударные волны, возникающие на границе между атмосферой планеты и солнечным ветром, названные так в честь аналогичных ударных волн, создаваемых носом корабля на воде.

Большинство ударных волн в космической плазме являются бесстолкновительными, поскольку плотность частиц слишком низка для того, чтобы прямые столкновения между частицами преобразовали энергию ударной волны в тепло. Вместо этого это происходит за счет электромагнитных сил.

Считается, что бесстолкновительные ударные волны являются местом, где космические лучи могут ускоряться до релятивистских скоростей (близких к скорости света), этот процесс известен как релятивистское ускорение электронов.

Однако отсутствие прямых наблюдательных доказательств ограничивает понимание учеными того, как функционируют эти структуры.

«Астрономы пытаются разгадать тайну происхождения космических лучей с момента их открытия более 100 лет назад», — говорится в заявлении Савваса Раптиса из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса и его коллег. «Эти энергетические частицы могут поступать из самых разных источников, включая сверхновые и солнечные вспышки».

Когда солнечные космические лучи достигают Земли, они могут вызывать явления космической погоды, которые нарушают работу спутников, систем связи и электроснабжения.

Миссии НАСА показали, как некоторые электроны получают высокую энергию в области вблизи Земли, называемой предфронтовой областью, где солнечные частицы впервые сталкиваются с магнитным полем Земли.

Ученые подозревали, что тот же процесс отвечает за ускорение высокоэнергетических частиц в предфронтовых областях других планет и астрофизических систем, но до сих пор не могли это подтвердить.

Исследователи проанализировали данные, собранные аппаратом Juno 1 октября 2023 года, когда космический аппарат приближался к Юпитеру.

Прежде чем пересечь саму ударную волну, зонд пролетел через предфронтовую область — турбулентную зону, которая образуется выше по течению, где солнечный ветер впервые «чувствует» магнитное воздействие планеты.

В течение примерно 20 минут аппарат Juno обнаружил крупное, похожее на пузырь возмущение, называемое форшоковым переходным явлением.

С помощью трех бортовых приборов космический аппарат измерил скорость ускорения электронов до энергии до 1 МэВ непосредственно внутри этой конструкции.

«Используя эти и дополнительные наблюдения Солнечной системы, мы предлагаем универсальный закон масштабирования для предела Хилласа, который эмпирически связывает наблюдаемый размер транзиентного явления с максимальной энергией частиц», — заключили авторы.

Ученые отметили, что применение этого масштабирования к различным средам, от планетарных ударных волн до протозвездных джетов и остатков сверхновых, позволяет получить простую модель максимально достижимых энергий частиц в диапазоне от МэВ до примерно десятков ГэВ и примерно десятков ТэВ соответственно, что обеспечивает основанный на наблюдениях метод ограничения максимальных энергий космических лучей на астрофизических ударных волнах.