Wissenschaftler sind dem Verständnis, wie kollisionsfreie Stoßwellen – die im gesamten Universum vorkommen – Teilchen auf extreme Geschwindigkeiten beschleunigen können, einen Schritt näher gekommen.
Diese Stoßwellen gehören zu den leistungsstärksten Teilchenbeschleunigern der Natur und haben Wissenschaftler seit langem wegen der Rolle fasziniert, die sie bei der Erzeugung kosmischer Strahlung spielen – hochenergetischer Teilchen, die sich über große Entfernungen im Weltraum bewegen.
Die heute veröffentlichte Studie in Naturkommunikationkombiniert Satellitenbeobachtungen der NASA-Missionen MMS (Magnetospheric Multiscale) und THEMIS/ARTEMIS mit jüngsten theoretischen Fortschritten und bietet ein umfassendes neues Modell zur Erklärung der Beschleunigung von Elektronen in kollisionsfreien Schockumgebungen.
Der Artikel „Revealing an Unexpectedly Low Electron Injection Threshold via Reinforced Shock Acceleration“, wurde von einem Team internationaler Wissenschaftler unter der Leitung von Dr. Savvas Raptis vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University in den USA und in Zusammenarbeit mit Dr. Ahmad Lalti von der Northumbria University verfasst.
Diese Forschung befasst sich mit einem seit langem bestehenden Rätsel in der Astrophysik – wie Elektronen extrem hohe oder relativistische Energieniveaus erreichen.
Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, eine entscheidende Frage der Weltraumphysik zu beantworten: Welche Prozesse ermöglichen es, Elektronen auf relativistische Geschwindigkeiten zu beschleunigen?
Der Hauptmechanismus zur Erklärung der Beschleunigung von Elektronen auf relativistische Energien wird Fermi-Beschleunigung oder Diffusive Shock Acceleration (DSA) genannt. Dieser Mechanismus erfordert jedoch, dass Elektronen zunächst auf eine bestimmte Schwellenenergie angeregt werden, bevor sie durch DSA effizient beschleunigt werden können. Der Versuch herauszufinden, wie Elektronen diese Anfangsenergie erreichen, wird als „Injektionsproblem“ bezeichnet.
Diese neue Studie liefert wichtige Erkenntnisse zum Problem der Elektroneninjektion und zeigt, dass Elektronen durch die Wechselwirkung verschiedener Prozesse über mehrere Skalen hinweg auf hohe Energien beschleunigt werden können.
Anhand von Echtzeitdaten der MMS-Mission, die die Wechselwirkung der Erdmagnetosphäre mit dem Sonnenwind misst, und der THEMIS/ARTEMIS-Mission, die die vorgelagerte Plasmaumgebung in der Nähe des Mondes untersucht, beobachtete das Forschungsteam eine großräumige, zeitabhängige ( (d. h. vorübergehendes) Phänomen, vor dem Bugstoß der Erde, am 17. Dezember 2017.
Während dieses Ereignisses erreichten Elektronen in der Vorbebenregion der Erde – einem Bereich, in dem der Sonnenwind durch seine Wechselwirkung mit dem Bugstoß vorgestört wird – beispiellose Energieniveaus von über 500 keV.
Dies ist ein bemerkenswertes Ergebnis, wenn man bedenkt, dass die in der Vorbebenregion beobachteten Elektronen typischerweise bei Energien von etwa 1 keV gefunden werden.
Diese Forschung legt nahe, dass diese hochenergetischen Elektronen durch das komplexe Zusammenspiel mehrerer Beschleunigungsmechanismen erzeugt wurden, einschließlich der Wechselwirkung von Elektronen mit verschiedenen Plasmawellen, vorübergehenden Strukturen im Vorbeben und dem Bugstoß der Erde.
Alle diese Mechanismen wirken zusammen, um Elektronen von niedrigen Energien (~ 1 keV) auf relativistische Energien zu beschleunigen, die die beobachteten 500 keV erreichen, was zu einem besonders effizienten Elektronenbeschleunigungsprozess führt.
Durch die Verfeinerung des Stoßbeschleunigungsmodells liefert diese Studie neue Einblicke in die Funktionsweise von Weltraumplasmen und die grundlegenden Prozesse, die die Energieübertragung im Universum steuern.
Dadurch eröffnet die Forschung neue Wege zum Verständnis der Entstehung kosmischer Strahlung und bietet einen Einblick, wie Phänomene in unserem Sonnensystem uns dabei helfen können, astrophysikalische Prozesse im gesamten Universum zu verstehen.
Dr. Raptis glaubt, dass die Untersuchung von Phänomenen auf verschiedenen Skalen für das Verständnis der Natur von entscheidender Bedeutung ist. „Der Großteil unserer Forschung konzentriert sich entweder auf kleinräumige Effekte wie Welle-Partikel-Wechselwirkungen oder auf großräumige Eigenschaften wie den Einfluss des Sonnenwinds“, sagt er.
„Wie wir jedoch in dieser Arbeit gezeigt haben, konnten wir durch die Kombination von Phänomenen über verschiedene Skalen hinweg deren Zusammenspiel beobachten, das letztendlich Teilchen im Raum mit Energie versorgt.“
Dr. Ahmad Lalti fügte hinzu: „Eine der effektivsten Möglichkeiten, unser Verständnis des Universums, in dem wir leben, zu vertiefen, besteht darin, unsere erdnahe Plasmaumgebung als natürliches Labor zu nutzen.“
„In dieser Arbeit nutzen wir In-situ-Beobachtungen von MMS und THEMIS/ARTEMIS, um zu zeigen, wie verschiedene grundlegende Plasmaprozesse auf unterschiedlichen Skalen zusammenarbeiten, um Elektronen von niedrigen Energien bis hin zu hohen relativistischen Energien anzuregen.
„Diese grundlegenden Prozesse sind nicht auf unser Sonnensystem beschränkt und werden voraussichtlich im gesamten Universum ablaufen.
„Dies macht unseren vorgeschlagenen Rahmen relevant für ein besseres Verständnis der Elektronenbeschleunigung bis zu Energien der kosmischen Strahlung in astrophysikalischen Strukturen, die Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt sind, wie zum Beispiel in anderen Sternsystemen, Supernova-Überresten und aktiven Galaxienkernen.“
