Dodano: 08 grudzień 2020r.

Nowe odkrycia sond Voyager. Superszybkie elektrony w przestrzeni międzygwiezdnej

Sondy Voyager opuściły heliosferę kilka lat temu, ale nawet gdy podróżują przez przestrzeń międzygwiazdową, nadal dokonują ważnych odkryć. Szczegółowa analiza danych zebranych przez obie sondy ujawniła istnienie w ośrodku międzygwiazdowym elektronów poruszających się niemal z prędkością światła. Uczeni uważają, że elektrony są napędzane przez fale uderzeniowe pochodzące z dużych erupcji na Słońcu, ale są około 670 razy od nich szybsze.

Nowe odkrycia sond Voyager. Superszybkie elektrony w przestrzeni międzygwiezdnej

Sondy kosmiczne Voyager 1 i Voyager 2 nadal dostarczają nowych, niewiarygodnych danych, choć od zakończenia ich podstawowej misji badania gazowych olbrzymów w Układzie Słonecznym minęło już kilka dekad. Są jedynymi obiektami stworzonymi przez człowieka, które przekroczyły granice heliosfery - ochronnego „bąbla” cząstek i pól magnetycznych wytwarzanych przez nasze Słońce – i dotarły do ​​przestrzeni międzygwiazdowej, zapewniając ludzkości obserwacje jak żaden inny instrument naukowy.

W ostatnich danych zebranych przez sondy naukowcy wykryli elektrony przemieszczające się z prędkością bliską prędkości światła. Elektrony te przyspieszane są przez fale uderzeniowe z dużych erupcji na Słońcu, ale są około 670 razy od nich szybsze. Sondy Voyager kontynuują swoją podróż przez przestrzeń międzygwiazdową i jako pierwsze zarejestrowały tę wyjątkową fizykę w królestwie między gwiazdami.

Analizy danych zebranych przez sondy Voyager przeprowadził zespół fizyków pod kierunkiem uczonych z University of Iowa. Ich wysiłki ukazały się na łamach pisma „The Astronomical Journal”.

Kolejne odkrycia sond Voyager

Powierzchnia naszego Słońca nieprzerwanie emituje wiatr słoneczny - strumień plazmy, naładowanych elektrycznie cząstek, głównie protonów, elektronów i cząstek alfa. Wiatr słoneczny wytraca swoją prędkość, a ciśnienie wiatrów galaktycznych zaczyna przeważać nad ciśnieniem wiatru słonecznego na granicy heliosfery, która określana jest mianem heliopauzy. Ale wiatr słoneczny przenika częściowo przez heliopauzę do ośrodka międzygwiazdowego.

W przestrzeni międzygwiazdowej warunki mogą być bardzo różne i nie jest do końca jasne, co dzieje się z wiatrem słonecznym i cząstkami, którym udaje się dotrzeć tak daleko. Sondy Voyager dają nam możliwość dowiedzieć się więcej w tym temacie.

Przenoszone na obrzeża naszego Układu Słonecznego przez fale uderzeniowe z erupcji słonecznych, takich jak koronalne wyrzuty masy, naenergetyzowane cząstki wydają się przyspieszać i w efekcie są szybsze od wiatrów słonecznych. Nowo wykryte strumienie elektronów przyspieszają wzdłuż linii pola magnetycznego. Elektrony poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, około 670 razy szybciej niż fale uderzeniowe, które je początkowo napędzały.

Oba Voyagery zarejestrowały te szybkie elektrony. Kilka dni po nich dotarły do sond oscylacje fal plazmy spowodowane przez elektrony o niskich energiach. Sama fala uderzeniowa w niektórych przypadkach docierała do sond nawet miesiąc później.

Nowy mechanizm

Astronomowie proponują teraz nowy model tego, co dzieje się z tymi cząstkami w przestrzeni międzygwiazdowej. Wszystko zaczyna się od potężnej erupcji na powierzchni Słońca, która wysyła quasi-kulistą falę uderzeniową do Układu Słonecznego. Taka fala przemieszcza się z prędkością około 1 600 000 kilometrów na godzinę. Nawet przy takich prędkościach fale uderzeniowe potrzebują ponad roku na dotarcie do sond Voyager. Te fale plazmy ostatecznie docierają do przestrzeni międzygwiazdowej, gdzie uderzają w elektrony emitowane przez inne gwiazdy. Te elektrony odbijają się z powrotem w przestrzeń międzygwiazdową podążając za liniami pola magnetycznego.

- Widzimy tu pewien mechanizm. Fala uderzeniowa styka się z liniami międzygwiazdowego pola magnetycznego przechodzącymi przez sondę, odbija i przyspiesza niektóre elektrony promieniowania kosmicznego - mówi Don Gurnett z University of Iowa. - Zidentyfikowaliśmy za pomocą instrumentów promieniowania kosmicznego, że są to elektrony, które zostały odbite i przyspieszone przez międzygwiazdowe fale uderzeniowe rozchodzące się na zewnątrz od energetycznych zdarzeń na Słońcu. To nowy mechanizm – dodaje.

Odkrycie może pomóc fizykom w lepszym zrozumieniu dynamiki fal uderzeniowych i promieniowania kosmicznego, które pochodzą od rozbłysków słonecznych czy eksplodujących gwiazd. Fizyka takich zjawisk jest ważna podczas wysyłania astronautów na długotrwałe misje kosmiczne, na Księżyc lub Marsa, podczas których są oni narażeni na znacznie wyższe dawki promieniowania kosmicznego niż to, czego doświadczamy na Ziemi.

Wcześniejsze badania podobnych procesów

Fizycy uważają, że te szybkie elektrony w ośrodku międzygwiazdowym są odbijane od wzmocnionego pola magnetycznego na krawędzi fali uderzeniowej, a następnie przyspieszane przez ruch fali uderzeniowej. Odbite elektrony następnie poruszają się spiralnie wzdłuż linii międzygwiazdowego pola magnetycznego, przyspieszając wraz ze wzrostem odległości od fali uderzeniowej.

W artykule z 2014 roku, który ukazał się w czasopiśmie „The Astrophysical Letters”, fizycy J.R. Jokipii i Jozsef Kota opisali teoretycznie, w jaki sposób jony odbite od fal uderzeniowych mogą być przyspieszane wzdłuż międzygwiazdowych linii pola magnetycznego. Obecne badania dotyczą elektronów wykrytych przez sondy Voyager, ale naukowcy uważają, że są one przyspieszane w podobnym procesie.

- Pomysł, że fale uderzeniowe przyspieszają cząstki, nie jest nowy. Wszystko to ma związek z tym mechanizmem działania i z faktem, że wykryliśmy to w nowym środowisku, w ośrodku międzygwiazdowym, gdzie są inne warunki – zaznacza Gurnett.

 

Źródło: University of Iowa, fot. NASA/JPL-Caltech