Pochopení toho, jak částice, jako jsou elektrony, cestují na obrovském vzdálenosti ve vesmíru nebo jak získávají ultra vysokou energii, bylo v astrofyzice dlouhodobě.
Ve skutečnosti není obraz fyziků o způsobu šíření energie ve vesmíru stále zcela jasný. 13. ledna vědci s Applied Physics Laboratory na Johns Hopkins University v USA a Northumbria University ve Velké Británii učinili důležité zjištění, které zmírňuje některé z chmurnosti.
Ve svém příspěvku, publikovaném v časopise Přírodní komunikaceVědci uvedli, že šokové vlny bez kolizí, které lze snadno najít v celém vesmíru, by mohly být kosmické motory, které řídí subatomické částice v prostoru k extrémní rychlosti.
Tým zjistil, že tyto šokové vlny patří mezi nejsilnější zrychlovače částic přírody.
Vyhledávání plazmy
Tyto šokové vlny se rodí v plazmě – plyn nabitých částic, které mohou provádět elektřinu a interagovat s magnetickými polími.
Studie byla založena na údajích ze tří zdrojů dat založených na NASA: mise Magnetospheric Multiscale (MMS), časové historie událostí a interakcí makrocale během mise Sunturms (TEMIS) a zrychlení, opětovné připojení, turbulence a elektrodynamiku interakce měsíce s misí Slunce (Artemis).
Na základě jejich analýzy vědci navrhli komplexní nový model, který zahrnuje nedávný teoretický pokrok ve fyzice, o nichž uvedli, že může vysvětlit zrychlení elektronů v prostředí bez koliz.
Když křičíte na svého přítele přes pole, řekněte, že zvukové vlny cestují vzduchem mezi vámi dvěma, aby dosáhli uší vašeho přítele. Cestování dochází rychlostí rovnající se rychlosti zvuku atmosférou. Ale někdy je možné přenášet vlny rychleji než rychlost zvuku v atmosféře – to se nazývají rázové vlny.
Obecně je hustota plazmy mnohem nižší než u tří nejběžnějších stavů hmoty: pevná, kapalina a plyn. Dalším způsobem, jak to říci, je to, že průměrná vzdálenost mezi částicemi plazmy je mnohem větší než v husté pevné látce, kapalině nebo plynu.
V plazmě je však mezičásticová vzdálenost ještě větší než rozsah mezičásticových sil, což znamená, že jakákoli částice v plazmě se zřídka srazí s jiným. Místo toho částice interagují elektromagnetickou silou.
To znamená, že rázová vlna odeslaná plazmou přenese svou energii dopředu nikoli tím, že částice rozbije dohromady, ale na jízdu na elektromagnetických silách mezi nimi.
Problém vstřikování elektronů
Astronomové našli rázové vlny ve vesmíru poblíž pulsarů a magnetarů, v horkých discích obklopujících černé díry a dalších podobných energetických objektů. Když dostatečně masivní hvězda exploduje do supernovy, vyhodí značné množství energie. Pokud je hvězda obklopena plazmou, šoková fronta se v zásadě šíří bez kolize.
Elektrony v plazmě samotné budou posunuty dopředu rychlostí, která by v závislosti na okolnostech mohla být velmi blízko rychlosti světla. Takové elektrony jsou považovány za relativistické, protože jejich vlastnosti lze nyní popsat pouze teoriemi relativity.
Bylo zjištěno, že takové šokové vlny hrají klíčovou roli při výrobě kosmických paprsků: proudy vysokoenergetických částic procházejících vesmírem. Když se jeden takový proud rozbije do zemské atmosféry, rozdělí se do sprchy jiných částic.
V nové studii se vědci zaměřili na difuzní zrychlení šoků, známý mechanismus schopný zrychlit elektrony k obrovským energiím prostřednictvím šokových vln bez koliz. Ale je tu úlovek: mechanismus vyžaduje, aby elektrony byly zrychleny na přibližně 50% rychlosti světla jako nejprve, než je může pohánět ještě dále.
Ať už existuje přirozený proces ve vesmíru, který je schopen poskytnout tento první náraz-aka problému elektronů-byl v astrofyzice dlouhodobým tajemstvím.
Solární vítr v. Magnetosféra
Vědci používali data v reálném čase z misí MMS, Themis a Artemis o tom, jak sluneční vítr interagoval s magnetosférou Země a asi v plazmatickém prostředí proti proudu poblíž Měsíce. Solární vítr je řeka nabitých částic neustále teče ze slunce do sluneční soustavy.
„Jedním z nejúčinnějších způsobů, jak prohloubit naše porozumění vesmíru, ve kterém žijeme, je využití našeho plazmatického prostředí blízké země jako přírodní laboratoře,“ uvedl v tiskové zprávě výzkumný pracovník a studijní spoluautor Northumbria a studium Ahmad Lalti.
Když sluneční vítr zasáhne magnetosféru, zpomalí a převádí svou energii do rázové vlny. Oblast, ve které se tento převod probíhá, se nazývá luk a jeho přední oblast se nazývá předzvěst. Pozice šoku luku závisí na rychlosti slunečního větru a jeho hustotě.
Údaje shromážděné třemi misemi dne 17. prosince 2017 odhalily zejména něco zvláštního. Tým našel přechodný, ale rozsáhlý jev proti proudu zemského luku. Během této události se zdálo, že elektrony v pozemských předpisech získávají více než 500 keV energie. Pokud by to byla zcela kinetická energie, elektrony by se pohybovaly kolem 86% rychlosti světla.
To byl nápadný výsledek vzhledem k tomu, že elektrony v oblasti předzvěstí mají obvykle téměř 1 keV energie.
Podle vědců byly tyto vysokoenergetické elektrony generovány komplexní souhrou vícenásobných mechanismů zrychlení, včetně interakcí s různými plazmatickými vlnami a s přechodnými strukturami v zemském luku a předzvěstí. V tuto chvíli také vyloučili vliv solárních světlic a koronálních hmotnostních vystřelení ze Slunce.
Příspěvek kosmického paprsku
„V této práci používáme in-situ pozorování od MMS a TheMisis/Artemis, abychom ukázali, jak různé základní plazmatické procesy v různých stupnicích fungují ve shodě, aby povzbudily elektrony z nízkých energií až po vysoké relativistické energie,“ uvedla v prohlášení Lalti. „Tyto základní procesy nejsou omezeny na naši sluneční soustavu a očekává se, že se vyskytnou napříč vesmírem.“
Model zdokonaleného zrychlení týmu poskytuje nové poznatky o fungování kosmické plazmy a dalších jevů v naší sluneční soustavě.
Například, jak vědci psali ve svém příspěvku, vědci se domnívají, že šoky Supernovy jsou zodpovědné za vytváření kosmických paprsků – přesto je možné, že některé z nich mohly být vytvořeny procesem popsaným v příspěvku.
V některých hvězdných systémech napsali: „Za přítomnosti (plynových giantů obíhajících velmi blízkých jejich hvězdám) existence masivních magnetických polí umožňuje náš mechanismus potenciálně udržovat“ elektrony milionu na miliardu KV energie.
„Naše výsledky proto naznačují, že část distribuce kosmických paprsků relativistických elektronů může pocházet z interakce planetárních … šoků s typickými hvězdnými větry.“
Na závěr byli žádáni o další výzkum „hvězdnými astrofyzikálními a zrychlovacími společenstvími“, aby ověřili jejich myšlenku.
Qudsia Gani je docentkou na Katedře fyziky, vládní vysoká škola Pattan, Baramulla.
Publikováno – 11. března 2025 05:30
