電子はどのようにして光速に到達するのでしょうか？

新しい研究では、宇宙にプラズマがない場合、磁気圏の非常に特殊な条件下で電子が超相対論的エネルギーに到達できることが示されています。

NASAのVanAllen Probes衛星からの最近の測定では、電子が超相対論的エネルギーに到達し、光速近くで飛ぶことができることが示されています。

ドイツ地球科学研究センターの従業員は、このような強い加速がどのような条件下で発生するかを発見しました。 2020年に、彼らはすでにプラズマ波が太陽嵐の間にこれに決定的な役割を果たすことを示しました。しかし、なぜそのような高い電子エネルギーがすべての太陽嵐で達成されないのかは以前は不明でした。科学者たちはScienceAdvancesで、バックグラウンドプラズマ密度を劇的に下げることが重要であることを示しています。

宇宙の超相対論的電子

超相対論的エネルギーでは、電子はほぼ光速で移動します。次に、相対性理論が最も重要になります。

粒子の質量は10倍に増加し、時間は遅くなり、距離は減少します。これらの高エネルギーでは、荷電粒子は最も保護された衛星でさえ最も危険になります。

ほとんど保護がそれらを止めることができないので、それらの充電は敏感な電子機器を破壊することができます。したがって、それらの発生を予測することは、たとえば、GFZで実施されている宇宙天気観測の一部として、現代のインフラストラクチャにとって非常に重要です。

電子の途方もない加速の条件を調査するために、科学者は、NASAの宇宙機関が2012年に立ち上げたヴァンアレンプローブのダブルミッションからのデータを使用しました。目標は、放射線帯で詳細な測定を行うことでした。

これは、地球を取り巻くいわゆるヴァンアレン帯です。ここでは、残りの空間と同様に、正と負に帯電した粒子の混合物がいわゆるプラズマを形成します。プラズマ波は、太陽嵐によって生成される電場と磁場の変動として理解することができます。それらは電子の加速の背後にある重要な推進力です。

ミッション中、超相対論的電子を生成した太陽嵐と、この影響のない嵐の両方が観測されました。バックグラウンドプラズマの密度が強い加速の決定的な要因であることが判明しました。超相対論的エネルギーを持つ電子は、プラズマ密度が1立方センチメートルあたり約10粒子という非常に低い値に低下したときにのみ出現しましたが、この密度は通常5〜10倍です。より高い。

そのような極端なプラズマ枯渇を含む数値モデルを使用して、著者は、低密度の期間が電子を加速するための好ましい条件を作成することを示しました-最初の数十万から700万電子ボルト以上。

ヴァンアレンプローブからのデータを分析するために、研究者はGEO.Xネットワークによって資金提供された機械学習方法を使用しました。それらは、著者が電場と磁場の測定された変動から総プラズマ密度を決定することを可能にしました。

プラズマは非常に重要です

「この研究は、プラズマ環境の条件（プラズマ波と一時的に低いプラズマ密度）が正しければ、地球の放射線帯の電子が超相対論的エネルギーに急速に局所的に加速されることを示しています。プラズマ密度が極端に低い領域では、粒子はプラズマ波からのたくさんのエネルギー。同様のメカニズムは、木星や土星などの外惑星の磁気圏や、その他の天体物理学の天体でも機能します」と、ポツダム大学のユーリシュプリッツ教授は述べています。

したがって、このような極端なエネルギーを達成するために、2段階の加速プロセスは必要ありません。これは、最初に磁気圏の外側領域からベルトへ、次に内側へと長い間想定されてきたためです。これはまた、昨年の私たちの研究の結果を裏付けています。