Van Allenin säteilyvyöissä on hiukkaskiihdytin
Tutkijat ovat löytäneet massiivisen hiukkaskiihdyttimen yhden maanläheisen avaruuden ankarimman alueen sydämestä, maapallon ympäröivän superenergisten, varautuneiden hiukkasten alueen, jota kutsutaan Van Allen -säteilyvyöksi. Tiedemiehet tiesivät, että jokin avaruudessa kiihdytti säteilyvyöhykkeiden hiukkaset yli 99 prosenttiin valon nopeudesta, mutta he eivät tienneet, mikä se oli. NASA: n Van Allen -koettimien uudet tulokset osoittavat nyt, että kiihtyvyysenergia tulee itse hihnoista. Hihnojen sisällä olevat hiukkaset nopeutuvat paikallisilla energian potkuilla, mikä kiihdyttää hiukkaset yhä nopeammalle nopeudelle, aivan kuten täydellisesti ajoitettu työntö liikkuvaan keinuun.
Löytö, jonka mukaan hiukkaset kiihtyvät paikallisella energialähteellä, on samanlainen kuin havainto, jonka mukaan hurrikaanit kasvavat paikallisesta energialähteestä, kuten lämpimän meriveden alueesta. Säteilyvyöjen tapauksessa lähde on voimakkaiden sähkömagneettisten aaltojen alue, joka hyödyntää muiden samalla alueella olevien hiukkasten energiaa. Kiihtyvyyden sijainnin tunteminen auttaa tutkijoita parantamaan avaruussääennusteita, koska muutokset säteilyvyöissä voivat olla vaarallisia maapallon lähellä oleville satelliiteille. Tulokset julkaistiin Science -lehdessä 25. heinäkuuta 2013.
NASAn kaksoisvan Allen -koettimien viimeaikaiset havainnot osoittavat, että maapalloa ympäröivissä säteilyvyöhykkeissä olevat hiukkaset kiihtyvät paikallisen energiapotkun avulla, mikä auttaa selittämään, kuinka nämä hiukkaset saavuttavat 99 prosentin nopeuden valon nopeudesta. Kuva: G. Reeves/M. Henderson
Jotta tutkijat ymmärtäisivät vyöt paremmin, Van Allen -koettimet suunniteltiin lentämään suoraan tämän intensiivisen avaruuden läpi. Kun operaatio käynnistyi elokuussa 2012, sillä oli huipputavoitteita ymmärtää, miten vyöhiukkaset kiihdytetään erittäin korkeisiin energioihin ja miten hiukkaset voivat joskus paeta. Päättäessään, että tämä supernopea kiihtyvyys johtuu näistä paikallisista energian potkuista, toisin kuin maailmanlaajuisempi prosessi, tutkijat ovat pystyneet vastaamaan ensimmäistä kertaa lopullisesti yhteen näistä tärkeistä kysymyksistä.
'Tämä on yksi Van Allen Probesin odotetuimmista ja jännittävimmistä tuloksista', sanoi David Sibeck, Van Allen Probes -projektitutkija NASAn Goddard Space Flight Centerissä Greenbeltissä, Md. tehtävä.'
Säteilyvyöt löydettiin ensimmäisten onnistuneiden avaruuteen lähetettyjen Yhdysvaltojen satelliittien, Explorers I ja III, laukaisemisen yhteydessä. Nopeasti huomattiin, että vyöt olivat vaarallisimpia ympäristöjä, joita avaruusalus voi kokea. Useimmat satelliittiradat valitaan antautumaan säteilyhihnojen alle tai ympyrään niiden ulkopuolella, ja joidenkin satelliittien, kuten GPS -avaruusalusten, on toimittava kahden vyön välissä. Kun vyöt turpoavat tulevan avaruussään vuoksi, ne voivat käsittää nämä avaruusalukset ja altistaa ne vaaralliselle säteilylle. Itse asiassa huomattava määrä avaruusalusten pysyviä vikoja on aiheuttanut säteily. Riittävän varoituksen avulla voimme suojella tekniikkaa pahimmilta seurauksilta, mutta tällainen varoitus voidaan saavuttaa vain, jos ymmärrämme todella näiden salaperäisten vyöiden sisällä tapahtuvan dynamiikan.
'1990-luvulle asti ajattelimme, että Van Allen -hihnat käyttäytyivät melko hyvin ja muuttuivat hitaasti', sanoi Geoff Reeves, paperin ensimmäinen kirjoittaja ja säteilyvyön tutkija Los Alamosin kansallisesta laboratoriosta Los Alamosissa. ja lisää mittauksia, kuitenkin huomasimme kuinka nopeasti ja arvaamattomasti säteilyvyöt muuttuivat. He eivät ole periaatteessa koskaan tasapainossa, vaan jatkuvassa muutoksessa. ”
Itse asiassa tutkijat ymmärsivät, että vyöt eivät edes muutu johdonmukaisesti vastauksena samanlaisiin ärsykkeisiin. Jotkut auringon myrskyt saivat vyöt voimistumaan; toiset aiheuttivat hihnojen tyhjenemisen, ja joillakin ei näyttänyt olevan juuri mitään vaikutusta. Tällaiset ilmeisesti samankaltaisten tapahtumien erilaiset vaikutukset viittasivat siihen, että tämä alue on paljon salaperäisempi kuin aiemmin luultiin. Ymmärtääkseen - ja lopulta ennustaakseen - mitkä aurinkomyrskyt tehostavat säteilyvyötä, tutkijat haluavat tietää, mistä hiukkasia kiihdyttävä energia tulee.
Van Allenin kaksoissondit on suunniteltu erottamaan kaksi laajaa mahdollisuutta siitä, mitkä prosessit kiihdyttävät hiukkaset niin hämmästyttäviin nopeuksiin: säteittäinen kiihtyvyys tai paikallinen kiihtyvyys. Säteittäisessä kiihtyvyydessä hiukkasia kuljetetaan kohtisuoraan Maata ympäröiviin magneettikenttiin, matalilta magneettivahvuuksilta kaukana Maasta suurille magneettivahvuuksille lähempänä Maata. Fysiikan lait edellyttävät, että hiukkasten nopeudet tässä skenaariossa nopeutuvat, kun magneettikentän voimakkuus kasvaa. Joten nopeus kasvaisi hiukkasten liikkuessa kohti Maata, aivan kuten mäkeä alas laskeva kivi kerää nopeutta pelkästään painovoiman vuoksi. Paikallisen kiihtyvyysteorian mukaan hiukkaset saavat energiaa paikallisesta energialähteestä, joka muistuttaa enemmän tapaa, jolla kuuma merivesi synnyttää hurrikaanin sen yläpuolelle.
Kaksi maapalloa ympäröivää hiukkasryhmää, joita kutsutaan säteilyvyöiksi, ovat yksi aurinkokunnan suurimmista luonnollisista kiihdyttimistä, jotka voivat työntää hiukkasia jopa 99% valon nopeudesta. Van Allen -koettimet, jotka käynnistettiin elokuussa 2012, ovat nyt löytäneet mekanismeja tämän kiihtyvyyden takana. Kuva: NASA /Goddard /Scientific Visualization Studio
Näiden mahdollisuuksien erottamiseksi Van Allen -koettimet koostuvat kahdesta avaruusaluksesta. Kahden havaintojoukon avulla tutkijat voivat mitata hiukkasia ja energialähteitä kahdella avaruuden alueella samanaikaisesti, mikä on ratkaisevan tärkeää paikallisten tai kaukana olevien syiden erottamiseksi toisistaan. Lisäksi jokainen avaruusalus on varustettu antureilla, jotka mittaavat hiukkasten energiaa ja sijaintia ja määrittävät nousukulman - eli liikkeen kulman suhteessa Maan magneettikenttiin. Kaikki nämä muuttuvat eri tavoin niihin vaikuttavien voimien mukaan, mikä auttaa tutkijoita erottamaan teoriat toisistaan.
Tällaisilla tiedoilla varustettuna Reeves ja hänen tiiminsä havaitsivat korkean energian elektronien nopean lisääntymisen säteilyvyöissä 9. lokakuuta 2012. Jos näiden elektronien kiihtyvyys tapahtuisi säteittäisen kuljetuksen takia, mitattaisiin vaikutukset ensin Maasta ja liikkuvat sisäänpäin ympäröivien peltojen muodon ja lujuuden vuoksi. Tällaisessa skenaariossa magneettikenttien poikki liikkuvat hiukkaset hyppivät luonnollisesti yhdestä toiseen samanlaisessa kaskadissa keräämällä nopeutta ja energiaa matkan varrella - mikä vastaa tätä skenaariota, jossa kivet vierivät alas mäkeä.
Mutta havainnot eivät osoittaneet tehostumista, joka muodostui kauemmaksi Maasta ja siirtyi vähitellen sisäänpäin. Sen sijaan ne osoittivat energian lisäystä, joka alkoi aivan säteilyvyöjen keskellä ja levisi vähitellen sekä sisään että ulos, mikä tarkoittaa paikallista kiihtyvyyden lähdettä.
'Tässä tapauksessa kaikki kiihtyvyys tapahtui noin 12 tunnissa', Reeves sanoi. ”Aiemmilla mittauksilla satelliitti olisi voinut vain lentää tällaisen tapahtuman läpi kerran eikä saanut tilaisuutta todistaa muutoksia, jotka todella tapahtuvat. Van Allen Probesilla on kaksi satelliittia, joten voimme seurata miten asiat muuttuvat ja mistä muutokset alkavat. ”
Tutkijat uskovat, että nämä uudet tulokset johtavat parempaan ennustamiseen monimutkaisesta tapahtumaketjusta, joka tehostaa säteilyvyötä tasolle, joka voi poistaa satelliitit käytöstä. Vaikka työ osoittaa, että paikallinen energia tulee hihnojen läpi kulkevista sähkömagneettisista aalloista, ei tiedetä tarkasti, mitkä tällaiset aallot voivat olla syynä. Paperissa kuvattujen havaintojen aikana Van Allen Probes havaitsi erityistä aaltoa, jota kutsutaan kuoroaalloiksi samaan aikaan hiukkasten kiihtymisen kanssa, mutta syyn ja seurauksen määrittämiseksi on tehtävä enemmän työtä.
'Tämä paperi auttaa erottamaan kaksi laajaa ratkaisua', Sibeck sanoi. 'Tämä osoittaa, että kiihtyvyys voi tapahtua paikallisesti. Nyt tutkijat, jotka tutkivat aaltoja ja magneettikenttiä, hyppäävät tekemään tehtävänsä ja saavat selville, mikä aalto antoi työn. '
Onneksi tällaista tehtävää auttavat myös Van Allen -koettimet, jotka on myös suunniteltu huolellisesti mittaamaan ja erottamaan lukuisat sähkömagneettiset aallot.
'Kun tutkijat suunnittelivat tehtävän ja koettimien instrumentit, he katsoivat tieteellisiä tuntemattomia ja sanoivat:' Tämä on loistava tilaisuus avata perustiedot hiukkasten kiihtymisestä ', sanoi apulaistutkija Nicola J.Fox. Johns Hopkinsin yliopiston sovelletun fysiikan laboratoriossa Laurelissa, Md. ”Kahden avaruusaluksen viidellä samanlaisella instrumenttisarjalla - jokaisella on laaja valikoima hiukkas- ja kenttä- ja aaltoilmaisimia - meillä on paras alusta, joka on koskaan luotu ymmärtämään paremmin tätä kriittistä avaruusalue maapallon yläpuolella. ”
KauttaNASA