Przypadkowa obserwacja wysokoenergetycznych elektronów pochodzących z niewielkiego obszaru w przestrzeni, gdzie splatają się ze sobą pola magnetyczne Ziemi i Słońca, dostarczyła pierwszego niezbitego dowodu, że proces ten może przyspieszać elektrony do prędkości bliskich prędkości światła. Dzieje się tak w ziemskiej magnetosferze, ale też być może wszędzie, gdzie splatają się pola magnetyczne.

Zjawisko zaobserwował 1 kwietnia 1999 roku należący do NASA satelita Wind, kiedy przypadkowo znalazł się w obszarze splotu pól magnetycznych w cieniu Ziemi. Naukowcy z Space Sciences Laboratory przy Uniwersytecie Kalifornii w Berkeley analizowali dane do listopada 2002 roku, 4 listopada publikując raport na łamach Physical Review Letters.

Do splatania powinno dochodzić zawsze, gdy zderzą się pola magnetyczne. Kiedy pola starają się nawinąć jedno na drugie, linie pól załamują się i łączą, czemu towarzyszy wyrzucanie dżetów elektronów i jonów poruszających się z prędkościami sięgającymi setek kilometrów na sekundę. Oprócz dżetów pojawiają się również jeszcze bardziej energetyczne elektrony, o energiach rzędu setek tysięcy elektronowoltów, co odpowiada prędkości ponad 160 tys. kilometrów na sekundę.

Naukowcy znają ten proces powstawania wysokoenergetycznych cząstek z obserwacji flar słonecznych, gdzie elektrony unoszą około połowy energii wybuchu. Również zderzenia pola magnetycznego w przestrzeni międzygwiezdnej, czy splatanie się pól w dysku akrecyjnym wokół czarnej dziury, przyspiesza elektrony prawie do prędkości światła.

Kiedy oddziałują ze sobą pola Ziemi i Słońca, cząstki wiatru słonecznego ślizgają się po liniach pola magnetycznego w stronę biegunów, w wyniku czego powstają zorze polarne.

Splatanie się pól magnetycznych zostało uznane przez Amerykańską Agencję Kosmiczną za tak ważne i intrygujące zjawisko, że rozważa się rozmieszczenie czterech do pięciu satelitów na orbicie wokółziemskiej w ramach misji Magnetospheric Multi-Scale, które badałyby ten proces.

Należy zaznaczyć, że mimo solidnych podstaw teoretycznych, nie było wcześniej bezpośrednich obserwacji potwierdzających fakt, że splatanie się pól magnetycznych prowadzi po powstania wysokoenergetycznych elektronów. “Te obserwacje to pierwszy jednoznaczny dowód, że regiony splatania się pól magnetycznych generują przyspieszone elektrony” – mówi Robert Lin, profesor fizyki obsługujący instrumenty na satelicie Wind.

Idea splatania się pól magnetycznych powstała w 1946 roku i wyjaśniała, w jaki sposób dochodzi do wybuchów słonecznych i skąd się wzięły wysokoenergetyczne cząstki biegnące z kierunku wybuchu.

To, że obserwujemy wysokoenergetyczne cząstki w rejonach splatania się pól magnetycznych w magnetosferze Ziemi, sugeruje, że w ten sam sposób powstają one w rozbłyskach słonecznych” – mówi Tai Phan, fizyk z Space Sciences Laboratory.

Podgrzewanie elektronów w wyniku splatania się pól nie jest dokładnie poznane” – dodaje James Drake, profesor fizyki teoretycznej z Uniwersytetu Marylandu, który zajmuje się modelowaniem tego procesu. – “Praca kolegów z Berkeley to bardzo ładny dowód, że rzeczywiście dochodzi do podgrzewania w tym niespokojnym regionie“.

Satelita Wind zaobserwował elektrony poruszające się z prędkościami wynoszącymi około 80 procent prędkości światła na obszarze tak zwanego ogona magnetycznego. Jest to obszar znajdujący się po przeciwnej stronie Ziemi, niż wiatr słoneczny, gdzie w wyniku ściskania i rozciągania przez wiatr słoneczny, pole magnetyczne rozciągnęło się na długość ponad 100 średnic Ziemi.

Satelita Wind został wystrzelony w 1994 roku, aby badać oddziaływanie między wiatrem słonecznym a ziemską magnetosferą. Podczas 8 lat pracy tylko raz znalazł się w miejscu splatania się pól magnetycznych. Jednak podczas owocnych 20 minut, które spędził w tym niewielkim obszarze, dostarczył pierwszych danych z tego typu obszaru. Analizując dane, Lin i jego współpracownicy potwierdzili już wiele przypuszczeń teoretyków.

Naukowcom udało się zmierzyć prędkości elektronów podczas przelotu satelity i odkryli maksimum energetyczne na wartości około 300 keV dokładnie w regionie splatania się pól. Im dalej od tego miejsca, tym mniejsze były energie elektronów, co wskazuje niezbicie, gdzie powstały.

Badania satelitarne ziemskiej magnetosfery maja tą przewagę nad badaniami rozbłysków słonecznych prowadzonymi przez RHESSI, że satelitę można rzeczywiście wprowadzić w interesujące miejsce, a dane porównać z innymi pomiarami pola magnetycznego, dużo łatwiej łączyć teorię i eksperymenty. Magnetosfera jest bardzo dobrym laboratorium do badania splatania się pól magnetycznych w szerszym kontekście – podsumowuje Drake.

Autor

Anna Marszałek