Sondy zkoumající Van Allenovy pásy odhalují, jak se urychlují elektrony

Jednou z velkých, nezodpovězených otázek pro vědce stále zůstává, co vytváří dva gigantické koláče radiace obklopující Zemi, které nazýváme Van Allenovy radiační pásy. Tyto pásy jsou oblastí v okolí planety, ve které se shromažďují energeticky nabité částice pocházející ze slunečního větru, které zachycuje magnetické pole Země. Nazývají se podle objevitele vnitřního pásu, profesora Van Allena - později byl také objeven i vnější pás. 

Van Allenovy sondy

V roce 2012 vypustila NASA na oběžnou dráhu tzv. Van Allenovy sondy (dvě téměř identické sondy, původně označované jako Radiation Belt Storm Probes), které mají za úkol zkoumat právě tyto radiační pásy. Hned rok poté, v roce 2013, učinily sondy objev, kterým byla existence třetího pásu, o kterém se doposud nevědělo. 

Tyto sondy zkoumají radiační pásy i nadále, před pár dny se proto na stránkách Physical Review Letters objevily nové výsledky. Tiskové prohlášení pak bude vydáno 18. července.  

Co urychluje částice do tak velké rychlosti?

Vnitřní Van Allenův pás je poměrně stabilní, avšak vnější mění tvar, velikost a složení způsobem, který není pro vědce zatím zcela pochopitelný. Některé z částic uvnitř tohoto radiačního pásu se pohybují rychlostí velmi blízkou rychlosti světla. Zásadní otázkou tedy zůstává, co urychluje tyto částice až na takové rychlosti? 

Z nových dat získaných z Van Allenových sond vyplývá, že se jedná o dvojí proces: první z procesů dává částicím počáteční impuls a poté v druhém procesu elektromagnetické vlny nazývané Whistlers (elektromagnetické vlny o nízké frekvenci) dotáhnou proces do konce tím, že dodají částicím pozorovanou vysokou rychlost. 

„Nejen že si myslíme, že tento proces probíhá na Slunci a kolem jiných planet, ale také tyto rychlé částice mohou poškodit elektroniku na oběžné dráze a hlavně mohou mít negativní vliv na astronauty ve vesmíru“, „Je tedy velmi důležité pochopit, jak tento proces probíhá,“ dodává Forrest Mozer, vědec z kalifornské university v Berkeley a zároveň autor publikace zabývající se posledními výsledky uveřejněnými v červenci 2014. 

Dvě hlavní teorie o urychlování částic 

Během posledních desetiletí vzniklo mnoho teorií o tom, odkud se tyto extrémně rychlé částice berou. Z velké části je můžeme rozdělit do dvou hlavních teorií. První z nich je ta, že částice unášené ze vzdálenosti více než 400 000 mil shromáždí tuto energii během cesty k Zemi. Druhá teorie poukazuje na to, že existuje nějaký mechanismus, který částice urychluje. Po dvou letech výzkumu ukazují údaje z Van Allenových sond stále více na pravdivost druhé teorie. Bylo prokázáno, že jakmile částice dosáhnou přiměřeně velké energie kolem 100 keV, začnou se pohybovat  synchronizovaně s obrovskými elektromagnetickými vlnami, které je mohou urychlit ještě více, stejně tak jako dobře načasované postrčení houpačky způsobuje její stále vyšší a vyšší výkmit.

„Teorie elektromagnetických vln „Whistlers“ byla přijata již dříve“ říká Shri Kanekal, zástupce mise Van Allenových sond z Goddard Space Fligt centra v Marylandu. „Poskytuje nám však nové vysvětlení pro to, jak částice získají prvotní impuls energie. 

První mechanismus je založen na zkoumání struktury metodou „time-domain“ (postup respektující závislost průběhu jevu na čase), tento jev Mozer a jeho kolegové identifikovali v radiačních pásech již dříve. Jedná se o velmi krátce trvající pulzy elektrického pole, které probíhají paralelně s magnetickým polem, jehož siločáry procházejí skrze radiační pásy. Tyto magnetické siločáry vedou pohyb všech nabitých částic v pásech – částice se pak pohybují podél a zároveň krouží okolo magnetických siločar, dráha jejich pohybu tedy připomíná spíše pružinu. V počáteční fázi pak elektrické pulzy tlačí částice rychleji dopředu, ve směru rovnoběžném s magnetickými siločárami. Tento mechanismus pak může poněkud zvýšit energii částic, ne však dostatečně pro potřebný efekt druhého mechanismu, elektromagnetických vln „Whistlers“. Nicméně jak Mozer a jeho tým ukázali na výsledcích z Van Allenových sond a také na simulacích, tyto elektromagnetické vlny o nízkých frekvencích mohou mít vliv i na částice, které mají nižší energii.    

Společně jsou pak schopné tyto dva mechanismy urychlit částice až na velmi vysokou rychlost, jejíž vznik byl tak dlouho záhadou ve Van Allenových pásech.

Akcelerační proces se podařilo Van Allenovým sondám sledovat mnohem lépe než předchozím, protože byly navrženy pro tento účel a umístěny na speciální dráhy. Mise tedy poskytla první potvrzení toho, co se skutečně odehrává ve Van Allenových radiačních pásech. To je poprvé, co můžeme skutečně vysvětlit, jak se elektrony mohou urychlit téměř na rychlost světla. Tyto znalosti nám pomohou ještě více pochopit radiační pásy a tím pádem ochránit okolí kosmické lodi a astronauty, dodává Mozer. 

Zdroj: www.nasa.gov/content/goddard/van-allen-probes-shows-how-to-accelerate-electrons/#.U8dzL5R_tvB

autor: Sylvie Gorková