Внутренний радиационный пояс Ван Аллена довольно стабилен, но внешний меняет форму, размер и состав способами, которые ученые еще не совсем понимают. Некоторые частицы внутри этого пояса движутся со скоростью, близкой к скорости света, но что именно ускоряет эти частицы до таких скоростей? Последние данные Van Allen Probes предполагают, что это двоякий процесс: один механизм дает частицам начальный импульс, а затем своего рода электромагнитная волна под названием Whistlers выполняет последнюю работу, разгоняя их до таких высоких скоростей.«Важно понять, как происходит этот процесс», — сказал Форрест Мозер, космический ученый из Калифорнийского университета в Беркли и первый автор статьи об этих результатах, опубликованной в журнале Physical Review Letters 15 июля 2014 г. совместно с печатным изданием от 18 июля. «Мы не только думаем, что аналогичный процесс происходит на Солнце и вокруг других планет, но и эти быстрые частицы могут повредить электронику в космическом корабле и повлиять на космонавтов в космосе».
За последние несколько десятилетий было разработано множество теорий о происхождении этих чрезвычайно энергичных частиц. Они в значительной степени распадались на две разные возможности. Первая теория состоит в том, что частицы дрейфуют гораздо дальше, примерно на 400 000 миль или больше, собирая энергию по пути.
Вторая теория заключается в том, что некий механизм ускоряет частицы, уже населяющие эту область пространства. После двух лет пребывания в космосе данные Van Allen Probes в значительной степени указали на последнее.
Кроме того, было показано, что как только частицы достигают достаточно больших энергий в 100 кэВ, они движутся со скоростью, синхронизированной с гигантскими электромагнитными волнами, которые могут ускорить частицы еще больше — точно так же, как своевременное нажатие на качели может продолжайте двигаться все выше и выше.«Эта статья включает ранее применявшуюся теорию волн Уистлера», — сказал Шри Канекал, заместитель научного сотрудника миссии Van Allen Probes в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Но это дает новое объяснение тому, как частицы получают свой первоначальный толчок энергии».Этот первый механизм основан на так называемых структурах временной области, которые Мозер и его коллеги ранее определили в поясах. Это очень короткие импульсы электрического поля, которые проходят параллельно магнитным полям, проходящим через радиационные пояса.
Эти линии магнитного поля направляют движение всех заряженных частиц в ремнях: частицы движутся вдоль и вращаются вокруг линий, как если бы они очерчивали форму пружины. Во время этой ранней фазы электрические импульсы быстрее толкают частицы вперед в направлении, параллельном магнитным полям. Этот механизм может несколько увеличить энергии — хотя и не так высоко, как традиционно считалось необходимым для того, чтобы волны Вистлера имели какой-либо эффект. Однако Мозер и его команда показали, как с помощью данных зондов Ван Аллена, так и с помощью моделирования, что Вистлеры действительно могут воздействовать на частицы при этих более низких энергиях.
Вместе один-два удара — это механизм, который может эффективно ускорять частицы до высоких скоростей, которые так долго таинственным образом появлялись в поясах Ван Аллена.«Зонды Ван Аллена смогли отслеживать этот процесс ускорения лучше, чем любой другой космический корабль, потому что он был разработан и выведен на специальную орбиту для этой цели», — сказал Мозер. «Миссия предоставила первое действительно убедительное подтверждение того, что происходит.
Это первый раз, когда мы можем по-настоящему объяснить, как электроны ускоряются почти до скорости света».Такие знания помогают в работе по пониманию поясов достаточно хорошо, чтобы защитить близлежащие космические корабли и космонавтов.Лаборатория прикладной физики Джона Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд, построила и эксплуатирует зонды Ван Аллена для Управления научной миссии НАСА.
Это вторая миссия в программе НАСА «Жизнь со звездой», которую осуществляет Центр космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд.