Comment les électrons atteignent-ils presque la vitesse de la lumière?
De nouvelles recherches ont montré que les électrons peuvent atteindre des énergies ultrarelativistes dans des conditions très spéciales dans la magnétosphère, lorsque l'espace est dépourvu de plasma.
Des mesures récentes des satellites Van Allen Probes de la NASA ont montré que les électrons peuvent atteindre des énergies ultrarelativistes, volant à une vitesse proche de la lumière.
Les employés du Centre de recherche allemand pour les géosciences ont découvert dans quelles conditions de telles accélérations se produisent. En 2020, ils ont déjà démontré que les ondes plasma y jouent un rôle crucial lors des tempêtes solaires. Cependant, il n'était pas clair auparavant pourquoi de telles énergies électroniques élevées ne sont pas atteintes dans toutes les tempêtes solaires. Les scientifiques montrent dans Science Advances qu'il est essentiel de réduire considérablement la densité du plasma de fond.
Electrons ultrarelativistes dans l'espace
Aux énergies ultrarelativistes, les électrons se déplacent presque à la vitesse de la lumière. Ensuite, les lois de la relativité deviennent les plus importantes.
La masse des particules décuple, le temps ralentit, la distance diminue. À ces énergies élevées, les particules chargées deviennent les plus dangereuses, même pour les satellites les plus protégés.
Comme presque aucune protection ne peut les arrêter, leur charge peut détruire les composants électroniques sensibles. Par conséquent, la prévision de leur occurrence - par exemple, dans le cadre des observations de météorologie spatiale pratiquées à la GFZ - est très importante pour les infrastructures modernes.
Pour étudier les conditions de la formidable accélération des électrons, les scientifiques ont utilisé les données de la double mission Van Allen Probes, lancée par l'agence spatiale de la NASA en 2012. Le but était de faire des mesures détaillées dans la ceinture de rayonnement.
C'est la soi-disant ceinture de Van Allen qui entoure la Terre. Ici, comme dans le reste de l'espace, un mélange de particules chargées positivement et négativement forme ce qu'on appelle le plasma. Les ondes plasma peuvent être comprises comme des fluctuations des champs électriques et magnétiques générés par les tempêtes solaires. Ils sont une force motrice importante derrière l'accélération des électrons.
Au cours de la mission, on a observé à la fois des tempêtes solaires, qui ont produit des électrons ultrarelativistes, et des tempêtes sans cet effet. La densité du plasma de fond s'est avérée être un facteur décisif pour une forte accélération: les électrons à énergie ultrarelativiste n'apparaissaient que lorsque la densité du plasma tombait à des valeurs très faibles, seulement une dizaine de particules par centimètre cube, alors que cette densité est généralement de cinq à dix fois plus haut.
En utilisant un modèle numérique impliquant une déplétion plasmatique aussi extrême, les auteurs ont montré que les périodes de faible densité créent des conditions favorables pour accélérer les électrons - de plusieurs centaines de milliers à plus de sept millions d'électrons volts.
Pour analyser les données des sondes Van Allen, les chercheurs ont utilisé des méthodes d'apprentissage automatique financées par le réseau GEO.X. Ils ont permis aux auteurs de déterminer la densité totale du plasma à partir des fluctuations mesurées des champs électriques et magnétiques.
Le plasma est crucial
«Cette étude montre que les électrons de la ceinture de rayonnement terrestre peuvent être rapidement accélérés localement à des énergies ultrarelativistes si les conditions de l'environnement plasma - ondes de plasma et densité de plasma temporairement faible - sont correctes. Dans les zones de densité de plasma extrêmement faible, les particules peuvent attirer un beaucoup d'énergie des ondes de plasma. Des mécanismes similaires peuvent fonctionner dans les magnétosphères des planètes extérieures telles que Jupiter ou Saturne, et dans d'autres objets astrophysiques », explique Yuri Shprits, professeur à l'Université de Potsdam.
Ainsi, pour atteindre de telles énergies extrêmes, un processus d'accélération en deux étapes n'est pas nécessaire, comme on l'a longtemps supposé - d'abord de la région externe de la magnétosphère à la ceinture, puis vers l'intérieur. Cela confirme également les résultats de nos recherches de l'année dernière.