Международный коллектив ученых из Института космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН), МФТИ и Бэйханского университета (Китай) обнаружил ранее неизвестный механизм ускорения частиц и перераспределения энергии в магнитном хвосте Земли.
Анализируя данные миссии NASA Magnetospheric Multiscale (MMS), исследователи показали, что турбулентные потоки плазмы, удаленные от основной зоны высвобождения энергии, сами становятся источниками мощных, но локальных «микро-ускорителей». Эти процессы сопровождаются генерацией интенсивных электростатических волн, служащих маркерами скрытых событий.
Нашу планету окружает невидимый щит — магнитосфера, защищающая все живое от губительного потока заряженных частиц, летящих от Солнца. Под давлением солнечного ветра магнитосфера вытягивается с ночной стороны Земли в длинный шлейф, подобный хвосту кометы, который так и называют — хвост магнитосферы. Именно здесь накапливается огромная энергия, которая периодически высвобождается в ходе грандиозного процесса, известного как магнитное перезамыкание. Это явление можно сравнить с коротким замыканием в космическом масштабе: линии магнитного поля разрываются и соединяются в новой конфигурации, выбрасывая гигантские порции энергии и разгоняя частицы плазмы до колоссальных скоростей. Эти разогнанные потоки, устремляясь к Земле, вызывают полярные сияния и геомагнитные бури. Долгое время считалось, что основное «действо» разворачивается в одном, сравнительно небольшом регионе первичного перезамыкания.
Однако физика плазмы — разреженного ионизированного газа, из которого состоит 99% видимой Вселенной, — полна сюрпризов. Потоки плазмы, рожденные в результате первичного перезамыкания, сами по себе представляют сложную, турбулентную среду. Ученые задались вопросом: что происходит с энергией внутри этих стремительных плазменных джетов, или «быстрых плазменных потоков» (BBF), пока они несутся сквозь хвост магнитосферы? Именно на этот вопрос искала ответ научная группа, проанализировав уникальные данные миссии MMS. Эта миссия состоит из четырех идентичных спутников, летящих в тесной формации и позволяющих, словно объемным зрением, изучать процессы в плазме с беспрецедентным временным и пространственным разрешением.
В ходе детального изучения данных, полученных 6 июля 2017 года, команда исследователей обнаружила нечто неожиданное. Далеко от предполагаемой области первичного перезамыкания, внутри одного из таких турбулентных потоков, приборы зафиксировали чрезвычайно интенсивные и короткие всплески электрического поля. Эти структуры, известные как электростатические уединенные волны (ESW), представляли собой изолированные импульсы с амплитудой до 100 мВ/м — очень высокое значение для космической плазмы. Анализ показал, что эти волны не были случайным шумом, а тесно связаны с тонкими, но мощными слоями электрического тока. В свою очередь, эти токи переносились узконаправленными пучками электронов, разогнанных до сверхтепловых энергий. Фактически, ученые стали свидетелями работы множества вторичных, спонтанно возникающих ускорителей частиц.
Макар Леоненко, аспирант кафедры космической физики, прокомментировал:
«Мы ожидали увидеть сложную, хаотичную картину турбулентности, но обнаружение настолько четко структурированных и энергетически насыщенных волн так далеко от основного «машинного отделения» хвоста магнитосферы стало настоящим открытием. Это можно сравнить с ситуацией, когда река, уже далеко ушедшая от своего истока у гигантского водопада, вдруг начинает спонтанно порождать свои собственные, пусть и меньшие по размеру, но очень бурные каскады. Быстрые потоки плазмы порождают, внутри себя, области микро-ускорений, а ускоренные пучки электронов, в последствии, становятся новыми областями микро-ускорений. Этот процесс представляется собой механизм каскадного магнитного перезамыкания. Эти электростатические волны, связанные с ускоренными пучками электронов, оказались безошибочными индикаторами таких скрытых зон преобразования энергии, которые мы назвали «вторичными сепаратрисами»».
Наблюдения показали, что волны не просто существуют, а активно участвуют в жизни плазмы. В космической бесстолкновительной плазме, волны — единственный механизм передачи энергии между частицами. Они замедляют сверхтепловые электронные пучки, забирая у них часть энергии, и одновременно взаимодействуют с фоновой, более холодной плазмой, захватывая некоторую ее часть. Таким образом, эти волны служат посредниками, обеспечивая канал для передачи энергии от небольшой группы высокоэнергичных частиц к основной массе плазмы — механизм, критически важный в условиях почти полного отсутствия столкновений, характерных для космоса.
Если раньше научное сообщество концентрировало внимание на изучении последствий одного глобального события перезамыкания, то теперь становится ясно, что процесс диссипации энергии носит каскадный, распределенный характер. Энергия, высвобожденная в одном месте, не рассеивается плавно, а проходит через цепочку вторичных, более мелких, но очень эффективных преобразований. Авторы предполагают, что эти локальные ускорители являются результатом вторичных магнитных микро-перезамыканий, спонтанно возникающих в турбулентной среде плазменных джетов.
Понимание этого каскадного механизма имеет фундаментальное значение для физики космоса и практическое применение для земных технологий. Оно уточняет наши модели космической погоды, позволяя лучше прогнозировать поведение заряженных частиц в околоземном пространстве, от которых зависит работа спутников связи, навигационных систем и безопасность пилотируемых полетов. Кроме того, эти результаты проливают свет на универсальные законы поведения плазмы, которые действуют не только в магнитосфере Земли, но и в атмосфере Солнца, аккреционных дисках черных дыр и в установках для управляемого термоядерного синтеза.
Теперь перед учеными стоят новые задачи. Необходимо оценить суммарный вклад этого каскада микро-ускорителей в общий энергетический баланс магнитосферы и построить более детальные теоретические модели, описывающие рождение и эволюцию этих структур. Открытия, сделанные благодаря миссии MMS, показывают, что даже хорошо изученный, казалось бы, «дом» человечества — околоземное космическое пространство — все еще таит в себе множество удивительных тайн.
Каскад энергии в хвосте магнитосферы Земли. Схематическое изображение показывает, как энергия, высвобожденная в области первичного магнитного перезамыкания (слева), создает мощные потоки плазмы (BBF, оранжевые стрелки). Внутри этих потоков, далеко от основного источника, спонтанно формируются вторичные области ускорения частиц. Здесь возникают пучки ускоренных электронов (красные стрелки) и связанные с ними интенсивные электростатические волны (ESW, розовые линии), которые служат маркерами этих скрытых событий. Траектория спутников MMS (черный пунктир) проходит как раз через одну из таких вторичных зон, что и позволило ученым сделать свое открытиеM. V. Leonenko et al., JETP Letters