Làm thế nào để các electron ở gần Trái đất có thể đạt tốc độ gần như tốc độ ánh sáng?

Nghiên cứu mới cho thấy rằng các electron có thể đạt tới năng lượng siêu tương đối tính trong những điều kiện rất đặc biệt trong từ quyển khi không gian không có plasma.

Các phép đo gần đây từ tàu vũ trụ Van Allen Probes của NASA cho thấy các electron có thể đạt tới năng lượng siêu tương đối tính khi bay với tốc độ gần như bằng tốc độ ánh sáng. Hayley Allison, Yuri Shprits và các cộng tác viên từ Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Địa chất Đức đã tiết lộ trong điều kiện nào những gia tốc mạnh như vậy xảy ra. Họ đã chứng minh vào năm 2020 rằng trong cơn bão mặt trời, sóng plasma đóng một vai trò quan trọng cho điều đó. Tuy nhiên, trước đây người ta vẫn chưa rõ tại sao năng lượng electron cao như vậy không đạt được trong tất cả các cơn bão mặt trời. Trên tạp chí Science Advances , Allison, Shprits và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng sự suy giảm cực độ mật độ huyết tương nền là rất quan trọng.

Các electron siêu tương đối tính trong không gian

Ở năng lượng siêu tương đối tính, các electron chuyển động với tốc độ gần như tốc độ ánh sáng. Khi đó các định luật tương đối trở nên quan trọng nhất. Khối lượng của các hạt tăng lên một hệ số mười, thời gian chậm lại và khoảng cách giảm. Với năng lượng cao như vậy, các hạt mang điện trở nên nguy hiểm nhất đối với ngay cả những vệ tinh được bảo vệ tốt nhất. Vì hầu như không có vật che chắn nào có thể ngăn cản chúng, điện tích của chúng có thể phá hủy các thiết bị điện tử nhạy cảm. Dự đoán sự xuất hiện của chúng – ví dụ, như là một phần của quan sát thời tiết không gian được thực hiện tại GFZ – do đó rất quan trọng đối với cơ sở hạ tầng hiện đại.

Để điều tra các điều kiện cho các gia tốc khổng lồ của các electron, Allison và Shprits đã sử dụng dữ liệu từ một sứ mệnh song sinh, “Van Allen Probes”, mà cơ quan vũ trụ Hoa Kỳ NASA đã phóng vào năm 2012. Mục đích là để thực hiện các phép đo chi tiết về bức xạ vành đai, cái gọi là vành đai Van Allen, bao quanh Trái đất với hình dạng bánh rán trong không gian trên cạn. Ở đây – cũng như trong phần còn lại của không gian – một hỗn hợp các hạt mang điện tích dương và âm tạo thành cái gọi là plasma. Sóng Plasma có thể hiểu là sự dao động của điện trường và từ trường, bị kích thích bởi các cơn bão mặt trời. Chúng là động lực quan trọng cho sự gia tốc của các electron.

Phân tích dữ liệu với máy học

Trong quá trình thực hiện sứ mệnh, cả những cơn bão mặt trời tạo ra các electron siêu tương đối tính và những cơn bão không có hiệu ứng này đều được quan sát thấy. Mật độ của plasma nền hóa ra lại là yếu tố quyết định đối với gia tốc mạnh: các điện tử có năng lượng siêu tương đối tính chỉ được quan sát thấy tăng lên khi mật độ plasma giảm xuống giá trị rất thấp, chỉ khoảng 10 hạt trên một cm khối, trong khi bình thường mật độ như vậy cao hơn từ năm đến mười lần.

Sử dụng một mô hình số kết hợp sự suy giảm plasma cực độ như vậy, các tác giả đã chỉ ra rằng các khoảng thời gian mật độ thấp tạo ra điều kiện ưu tiên cho sự gia tốc của các electron – từ vài trăm nghìn ban đầu đến hơn bảy triệu vôn điện tử. Để phân tích dữ liệu từ các tàu thăm dò Van Allen, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp học máy, sự phát triển của phương pháp này được tài trợ bởi mạng GEO.X. Chúng cho phép các tác giả suy ra mật độ plasma tổng từ các dao động đo được của điện trường và từ trường.

Vai trò quan trọng của huyết tương

Nghiên cứu này cho thấy rằng các electron trong vành đai bức xạ của Trái đất có thể được gia tốc cục bộ nhanh chóng đến năng lượng siêu tương đối tính, nếu các điều kiện của môi trường plasma – sóng plasma và mật độ plasma thấp tạm thời – phù hợp. Các hạt có thể được coi là lướt trên sóng plasma. Ở những vùng có mật độ plasma cực thấp, chúng có thể lấy rất nhiều năng lượng từ sóng plasma. Các cơ chế tương tự có thể hoạt động trong các từ trường của các hành tinh bên ngoài như Sao Mộc hoặc Sao Thổ và trong các vật thể vật lý thiên văn khác.

Vì vậy, để đạt được năng lượng cực đoan như vậy, không cần quá trình gia tốc hai giai đoạn, như đã được giả định từ lâu – đầu tiên là từ vùng bên ngoài của từ quyển vào vành đai và sau đó là bên trong. Điều này cũng hỗ trợ kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học từ năm ngoái.

Nguồn truyện:

Tài liệu do GFZ GeoForschungsZentrum Potsdam, Trung tâm Helmholtz cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.

Tham khảo Tạp chí :

1. Hayley J. Allison, Yuri Y. Shprits, Irina S. Zhelavskaya, Dedong Wang, Artem G. Smirnov. Tương tác hạt-sóng hồi chuyển với sóng điệp khúc trong quá trình giảm mật độ plasma trong vành đai bức xạ Van Allen . Tiến bộ Khoa học , 2021; 7 (5): eabc0380 DOI: 10.1126 / sciadv.abc0380