Wissenschaftler wussten, dass etwas Teilchen in den Bändern auf 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigte. Neue Ergebnisse zeigen, dass die Beschleunigungsenergie aus den Bändern selbst stammt.
Wissenschaftler haben einen massiven Teilchenbeschleuniger im Herzen einer der härtesten Regionen des erdnahen Weltraums entdeckt, einer Region mit superenergetischen, geladenen Teilchen, die den Globus umgeben und als Van-Allen-Strahlungsgürtel bezeichnet wird. Wissenschaftler wussten, dass etwas im Weltraum Partikel in den Strahlungsgürteln auf über 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigte, aber sie wussten nicht, was das war. Neue Ergebnisse der NASA-Sonden von Van Allen zeigen nun, dass die Beschleunigungsenergie aus den Gürteln selbst stammt. Partikel in den Gürteln werden durch lokale Energiestöße beschleunigt, wodurch die Partikel auf immer höhere Geschwindigkeiten gebracht werden, ähnlich wie bei einem perfekt getimten Stoß auf einer sich bewegenden Schaukel.
Die Entdeckung, dass die Partikel von einer lokalen Energiequelle beschleunigt werden, ist vergleichbar mit der Entdeckung, dass Hurrikane von einer lokalen Energiequelle wie einer Region mit warmem Meerwasser ausgehen. Bei den Strahlungsgürteln ist die Quelle ein Bereich mit intensiven elektromagnetischen Wellen, die Energie von anderen Partikeln in demselben Bereich beziehen. Wenn die Position der Beschleunigung bekannt ist, können die Wissenschaftler die Vorhersage des Weltraumwetters verbessern, da Änderungen in den Strahlungsgürteln für erdnahe Satelliten ein Risiko darstellen können. Die Ergebnisse wurden am 25. Juli 2013 im Wissenschaftsmagazin veröffentlicht.
Jüngste Beobachtungen der NASA-Zwillingssonden von Van Allen zeigen, dass Partikel in den Strahlungsgürteln, die die Erde umgeben, durch einen lokalen Energieschub beschleunigt werden. Dies erklärt, wie diese Partikel eine Geschwindigkeit von 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Bildnachweis: G. Reeves / M. Henderson
Damit die Wissenschaftler die Gurte besser verstehen, wurden die Van Allen-Sonden so konstruiert, dass sie direkt durch diesen intensiven Bereich des Weltraums fliegen. Als die Mission im August 2012 startete, hatte sie sich zum Ziel gesetzt, zu verstehen, wie Partikel in den Bändern auf ultrahohe Energien beschleunigt werden und wie die Partikel manchmal entweichen können. Durch die Feststellung, dass diese superschnelle Beschleunigung von diesen lokalen Energieträgern im Gegensatz zu einem globaleren Prozess herrührt, ist es den Wissenschaftlern erstmals gelungen, eine dieser wichtigen Fragen endgültig zu beantworten.
"Dies ist eines der mit Spannung erwarteten und aufregendsten Ergebnisse der Van Allen-Sonden", sagte David Sibeck, Projektwissenschaftler für Van Allen-Sonden am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, MD Mission."
Die Strahlungsgürtel wurden beim Start der ersten erfolgreichen US-Satelliten Explorers I und III entdeckt, die in den Weltraum geschickt wurden. Es wurde schnell klar, dass die Gurte eine der gefährlichsten Umgebungen waren, die ein Raumschiff erleben kann. Die meisten Satellitenbahnen werden so gewählt, dass sie sich unter den Strahlungsgürteln ducken oder außerhalb derselben kreisen, und einige Satelliten, wie z. B. GPS-Raumfahrzeuge, müssen zwischen den beiden Gürteln operieren. Wenn die Gurte aufgrund des einfallenden Weltraumwetters anschwellen, können sie diese Raumfahrzeuge umfassen und sie gefährlicher Strahlung aussetzen. In der Tat wurde eine signifikante Anzahl von dauerhaften Ausfällen an Raumfahrzeugen durch Strahlung verursacht. Wenn wir genug warnen, können wir die Technologie vor den schlimmsten Konsequenzen schützen. Eine solche Warnung kann jedoch nur erreicht werden, wenn wir die Dynamik der Vorgänge in diesen mysteriösen Gürteln wirklich verstehen.
"Bis in die 1990er Jahre dachten wir, dass die Van Allen-Bänder sich ziemlich gut verhielten und langsam änderten", sagte Geoff Reeves, der erste Autor auf dem Papier und Wissenschaftler für Strahlungsgürtel am Los Alamos National Laboratory in Los Alamos, New Mexico Bei weiteren Messungen stellten wir jedoch fest, wie schnell und unvorhersehbar sich die Strahlungsgürtel änderten. Sie sind im Grunde nie im Gleichgewicht, sondern in ständigem Wandel. “
Tatsächlich stellten Wissenschaftler fest, dass sich die Gurte nicht einmal als Reaktion auf scheinbar ähnliche Reize ständig ändern. Einige Sonnenstürme ließen die Gürtel stärker werden; andere verursachten eine Erschöpfung der Gurte, und einige schienen fast überhaupt keine Wirkung zu haben. Solche unterschiedlichen Effekte von scheinbar ähnlichen Ereignissen ließen vermuten, dass diese Region viel mysteriöser ist als bisher angenommen. Um zu verstehen - und letztendlich vorherzusagen - welche Sonnenstürme die Strahlungsgürtel verstärken werden, möchten die Wissenschaftler wissen, woher die Energie kommt, die die Teilchen beschleunigt.
Die Van-Allen-Zwillingssonden wurden entwickelt, um zwischen zwei weitreichenden Möglichkeiten zu unterscheiden, welche Prozesse die Partikel auf so erstaunliche Geschwindigkeiten beschleunigen: radiale Beschleunigung oder lokale Beschleunigung. Bei der Radialbeschleunigung werden Teilchen senkrecht zu den Magnetfeldern transportiert, die die Erde umgeben, und zwar von Gebieten mit geringer Magnetstärke, die weit von der Erde entfernt sind, zu Gebieten mit hoher Magnetstärke, die näher an der Erde liegen. Die Gesetze der Physik schreiben vor, dass sich die Teilchengeschwindigkeiten in diesem Szenario beschleunigen, wenn die Magnetfeldstärke zunimmt. Die Geschwindigkeit würde sich also erhöhen, wenn sich die Partikel in Richtung Erde bewegen, ähnlich wie ein bergab rollender Felsen aufgrund der Schwerkraft an Geschwindigkeit gewinnt. Die lokale Beschleunigungstheorie geht davon aus, dass die Partikel Energie aus einer lokalen Energiequelle gewinnen, die der Art und Weise ähnlicher ist, wie heißes Ozeanwasser einen Hurrikan darüber hervorbringt.
Zwei Schwaden von Teilchen, die die Erde umgeben, die sogenannten Strahlungsgürtel, sind einer der größten natürlichen Beschleuniger im Sonnensystem und können Teilchen mit einer Lichtgeschwindigkeit von bis zu 99% drücken. Die im August 2012 eingeführten Van-Allen-Sonden haben nun Mechanismen entdeckt, die hinter dieser Beschleunigung stehen. Bildnachweis: NASA / Goddard / Scientific Visualization Studio
Zur Unterscheidung dieser Möglichkeiten bestehen die Van-Allen-Sonden aus zwei Raumfahrzeugen. Mit zwei Beobachtungsreihen können Wissenschaftler die Partikel und Energiequellen in zwei Regionen des Weltraums gleichzeitig messen. Dies ist entscheidend, um zwischen lokal auftretenden oder von weit her kommenden Ursachen zu unterscheiden. Außerdem ist jedes Raumfahrzeug mit Sensoren ausgestattet, um die Energie und Position der Partikel zu messen und den Nickwinkel zu bestimmen, dh den Bewegungswinkel in Bezug auf die Erdmagnetfelder. All dies wird sich in Abhängigkeit von den auf sie einwirkenden Kräften auf unterschiedliche Weise ändern, was Wissenschaftlern hilft, zwischen den Theorien zu unterscheiden.
Ausgestattet mit solchen Daten beobachteten Reeves und sein Team am 9. Oktober 2012 einen raschen Energiezuwachs von hochenergetischen Elektronen in den Strahlungsgürteln. Wenn die Beschleunigung dieser Elektronen durch radialen Transport erfolgen würde, würde man Effekte messen, die zunächst weit beginnen von der Erde und nach innen zu bewegen aufgrund der Form und Stärke der umliegenden Felder. In einem solchen Szenario springen Teilchen, die sich über Magnetfelder bewegen, auf natürliche Weise in einer ähnlichen Kaskade von einem zum nächsten und sammeln dabei Geschwindigkeit und Energie - was mit dem Szenario korreliert, dass Steine einen Hügel hinunter rollen.
Die Beobachtungen zeigten jedoch keine Intensivierung, die sich weiter von der Erde weg und allmählich nach innen bewegte. Stattdessen zeigten sie eine Zunahme der Energie, die genau in der Mitte der Strahlungsgürtel begann und sich allmählich sowohl nach innen als auch nach außen ausbreitete, was auf eine lokale Beschleunigungsquelle schließen ließ.
"In diesem speziellen Fall fand die gesamte Beschleunigung in etwa 12 Stunden statt", sagte Reeves. „Bei früheren Messungen war ein Satellit möglicherweise nur einmal in der Lage, ein solches Ereignis zu durchfliegen, ohne die Chance zu haben, die tatsächlichen Änderungen mitzuerleben. Mit den Van Allen-Sonden haben wir zwei Satelliten und können so beobachten, wie sich die Dinge ändern und wo diese Änderungen beginnen. “
Wissenschaftler glauben, dass diese neuen Ergebnisse zu besseren Vorhersagen der komplexen Kette von Ereignissen führen werden, die die Strahlungsgürtel auf Niveaus verstärken, die Satelliten deaktivieren können. Während die Arbeit zeigt, dass die lokale Energie von elektromagnetischen Wellen stammt, die durch die Bänder fließen, ist nicht genau bekannt, welche Wellen die Ursache sein könnten. Während der in der Veröffentlichung beschriebenen Beobachtungsreihe beobachteten die Van Allen-Sonden eine bestimmte Art von Welle, die als Choruswellen bezeichnet wird, während die Teilchen beschleunigt wurden. Es muss jedoch mehr Arbeit geleistet werden, um Ursache und Wirkung zu bestimmen.
"Dieses Papier hilft bei der Unterscheidung zwischen zwei umfassenden Lösungen", sagte Sibeck. „Dies zeigt, dass die Beschleunigung lokal erfolgen kann. Jetzt werden die Wissenschaftler, die Wellen und Magnetfelder untersuchen, einspringen, um ihre Arbeit zu erledigen und herauszufinden, welche Welle den Schub geliefert hat. “
Glücklicherweise wird eine solche Aufgabe auch von den Van Allen-Sonden unterstützt, die ebenfalls sorgfältig entwickelt wurden, um die zahlreichen Arten elektromagnetischer Wellen zu messen und zu unterscheiden.
"Als Wissenschaftler die Mission und die Instrumentierung der Sonden entwarfen, betrachteten sie die wissenschaftlichen Unbekannten und sagten:" Dies ist eine großartige Chance, grundlegende Kenntnisse über die Beschleunigung von Partikeln zu gewinnen ", sagte Nicola J. Fox, stellvertretende Projektwissenschaftlerin am Johns Hopkins University Labor für Angewandte Physik in Laurel, Md."Mit fünf identischen Instrumentensuiten an Bord von Zwillingsraumfahrzeugen - jede mit einem breiten Spektrum an Partikel-, Feld- und Wellendetektionsmethoden - verfügen wir über die beste Plattform, die jemals geschaffen wurde, um diese kritische Region des Weltraums über der Erde besser zu verstehen."
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