Wie erreichen Elektronen fast die Lichtgeschwindigkeit?
Neue Forschungen haben gezeigt, dass Elektronen unter ganz besonderen Bedingungen in der Magnetosphäre ultrarelativistische Energien erreichen können, wenn der Raum frei von Plasma ist.
Jüngste Messungen von Van Allen Probes-Satelliten der NASA haben gezeigt, dass Elektronen ultrarelativistische Energien erreichen können, die nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fliegen.
Mitarbeiter des Deutschen Forschungszentrums für Geowissenschaften haben herausgefunden, unter welchen Bedingungen so starke Beschleunigungen auftreten. Bereits 2020 haben sie gezeigt, dass Plasmawellen bei Sonnenstürmen eine entscheidende Rolle spielen. Bisher war jedoch unklar, warum nicht bei allen Sonnenstürmen so hohe Elektronenenergien erreicht werden. Wissenschaftler zeigen in Science Advances, dass eine drastische Verringerung der Hintergrundplasmadichte von entscheidender Bedeutung ist.
Ultrarelativistische Elektronen im Raum
Bei ultrarelativistischen Energien bewegen sich Elektronen fast mit Lichtgeschwindigkeit. Dann werden die Relativitätsgesetze am wichtigsten.
Die Partikelmasse verzehnfacht sich, die Zeit verlangsamt sich, die Entfernung nimmt ab. Bei diesen hohen Energien werden geladene Teilchen selbst für die am besten geschützten Satelliten am gefährlichsten.
Da sie fast kein Schutz aufhalten kann, kann ihre Ladung empfindliche Elektronik zerstören. Daher ist es für die moderne Infrastruktur sehr wichtig, ihr Auftreten vorherzusagen - beispielsweise im Rahmen von Weltraumwetterbeobachtungen, die am GFZ durchgeführt werden.
Um die Bedingungen für die enorme Beschleunigung von Elektronen zu untersuchen, verwendeten die Wissenschaftler Daten der Doppelmission Van Allen Probes, die die NASA-Weltraumbehörde 2012 gestartet hatte. Ziel war es, detaillierte Messungen im Strahlungsgürtel durchzuführen.
Dies ist der sogenannte Van-Allen-Gürtel, der die Erde umgibt. Hier wie im Rest des Raumes bildet eine Mischung aus positiv und negativ geladenen Teilchen das sogenannte Plasma. Plasmawellen können als Schwankungen der durch Sonnenstürme erzeugten elektrischen und magnetischen Felder verstanden werden. Sie sind eine wichtige Triebkraft für die Beschleunigung von Elektronen.
Während der Mission wurden sowohl Sonnenstürme, die ultrarelativistische Elektronen erzeugten, als auch Stürme ohne diesen Effekt beobachtet. Die Dichte des Hintergrundplasmas erwies sich als entscheidender Faktor für eine starke Beschleunigung: Elektronen mit ultrarelativistischer Energie traten nur auf, wenn die Plasmadichte auf sehr niedrige Werte abfiel, nur etwa zehn Teilchen pro Kubikzentimeter, während diese Dichte normalerweise das Fünf- bis Zehnfache beträgt höher.
Unter Verwendung eines numerischen Modells mit solch extremer Plasmaverarmung zeigten die Autoren, dass Perioden geringer Dichte günstige Bedingungen für die Beschleunigung von Elektronen schaffen - von anfänglich mehreren hunderttausend bis über sieben Millionen Elektronenvolt.
Um die Daten der Van-Allen-Sonden zu analysieren, verwendeten die Forscher Methoden des maschinellen Lernens, die vom GEO.X-Netzwerk finanziert wurden. Sie ermöglichten es den Autoren, die Gesamtplasmadichte aus den gemessenen Schwankungen der elektrischen und magnetischen Felder zu bestimmen.
Plasma ist entscheidend
„Diese Studie zeigt, dass Elektronen im Strahlungsgürtel der Erde lokal schnell zu ultrarelativistischen Energien beschleunigt werden können, wenn die Bedingungen der Plasmaumgebung - Plasmawellen und vorübergehend niedrige Plasmadichte - korrekt sind. In Gebieten mit extrem niedriger Plasmadichte können Partikel a zeichnen viel Energie aus Plasmawellen. Ähnliche Mechanismen können in den Magnetosphären äußerer Planeten wie Jupiter oder Saturn und in anderen astrophysikalischen Objekten funktionieren “, sagt Yuri Shprits, Professor an der Universität Potsdam.
Um solch extreme Energien zu erreichen, ist daher kein zweistufiger Beschleunigungsprozess erforderlich, wie lange angenommen wurde - zuerst vom äußeren Bereich der Magnetosphäre zum Gürtel und dann nach innen. Dies bestätigt auch die Ergebnisse unserer Forschung im letzten Jahr.