Новые открытия о Юпитере: простая шкала ускорения частиц

В недавней статье, опубликованной в журнале Nature, исследовательская команда представила унифицированную модель, описывающую механизмы ускорения заряженных частиц, составляющих космические лучи. Эта модель связывает максимальную энергию ускоренных частиц с пространственным масштабом ударной волны, возникающей в среде. Открытие, основанное на данных, полученных с помощью зонда Juno NASA, ставит под сомнение традиционные теории и может пролить свет на загадочное происхождение космических лучей.

В космосе множество заряженных частиц, движущихся с близкой к скорости света, которые, как предполагается, ускоряются благодаря колоссальным супермасштабным ударам. Эти удары происходят на масштабах от планет до суперновых. Суперзвук обозначает переход в сжимаемой среде, где такие параметры, как давление, плотность, температура и скорость, резко изменяются. Удары формируются, когда возмущение распространяется быстрее, чем местная скорость звука, например, когда супермасштабный газ сталкивается с препятствием. Через ударную волну общая кинетическая энергия, измеряющая коллективное движение газа, преобразуется в тепловую энергию и, в некоторых случаях, в излучение (если охлаждение эффективно).

Когда массивный объект, такой как метеорит, сталкивается с Землей, внезапное высвобождение энергии создает ударную волну в атмосфере. Для наблюдателя, движущегося вместе с ударной волной, газ, находящийся впереди (непотревоженный), движется к фронту удара с супермасштабной скоростью, в то время как газ позади удаляется с подсупермасштабной скоростью. С обеих сторон ударной волны газ сжимается и нагревается: газ позади более горячий, плотный и находится под более высоким давлением, чем газ впереди.

Атмосфера Земли достаточно плотная, чтобы частицы газа часто сталкивались; поэтому ее можно часто описывать как жидкость, используя уравнения гидродинамики. Однако большая часть космоса заполнена ионизированной материей с низкой плотностью, называемой плазмой. В таком окружении ударные волны не передаются через прямые столкновения частиц, а через электрические и магнитные поля, создаваемые самой плазмой.

Ударные волны без столкновений давно считаются эффективными местами для ускорения частиц. В Солнечной системе столкновения солнечного ветра — движущейся плазмы от Солнца — и магнитных полей планет создают ударные волны без столкновений, известные как ударные волны дуги. Наблюдения за ускорением частиц в этих условиях сложны и ранее в основном ограничивались магнитосферой Земли, но ситуация изменилась благодаря зондированию Juno, которое изучает состав, атмосферу и магнитосферу Юпитера.

Исследования, проведенные Саввасом Раптисом из Университета Джонса Хопкинса и его коллегами, предоставляют важную информацию о физике плазмы вокруг Юпитера. Авторы проанализировали данные, собранные Juno в области перед ударной волной Юпитера, используя встроенные инструменты для измерения энергии электронов, поступающих от солнечного ветра и окружающей среды ударной волны.

Ускорение частиц в ударных волнах без столкновений обычно объясняется процессом диффузионного ускорения через удар, в ходе которого заряженные частицы получают энергию благодаря повторным отражениям через фронт удара. Движение частиц рассекается турбулентными флуктуациями магнитного поля с обеих сторон удара, что позволяет им возвращаться к удару множество раз, а не покидать его после одного прохода. До недавнего времени прямые наблюдательные доказательства, позволяющие определить, где в среде ударной волны без столкновений ускорение наиболее эффективно, оставались ограниченными.

Анализируя данные Juno, Раптис и его коллеги показали, что электроны могут ускоряться до энергий не менее одного мегаэлектронвольта (МэВ) не за счет диффузионного ускорения через удар, а благодаря кратковременным возмущениям плазмы, возникающим в динамичной области перед ударом. Эти возмущения перед ударом генерируются взаимодействиями между отраженными частицами, флуктуациями магнитного поля и потоком плазмы, что позволяет нагревать, рассеивать и ускорять частицы до того, как они достигнут фронта удара.

Максимальное ускорение электронов определяется пространственным масштабом области предударной волны, который увеличивается с размером ударной волны. Авторы предполагают, что эта модель может быть применена и к другим астрономическим системам.

Анализ астрономов показывает, что на планетарном уровне размер области удара перед ударом коррелирует с размером ударной волны. Размер области ускорения частиц позволяет вычислить их максимальную энергию, используя стандартное соотношение (критерий Хилласа). Таким образом, существует тесная связь между размером области удара и энергией ускоренных частиц. Исследователи приходят к важному выводу, что возможно предсказать максимальное ускорение, которое могут достичь частицы в этих планетарных системах, основываясь лишь на размерах ударной системы. Раптис и его коллеги делают смелое заявление, что эта модель применима к другим астрономическим системам, где происходят ударные волны без столкновений, включая струи, излучаемые молодыми звездами (протозвездами), и остатки супернов.

Предложенная модель может объединить физику ускорения через удар на масштабах, различающихся почти на десять порядков величины!

Объединив наблюдения Юпитера с историческими данными из других планетарных окружений, исследователи действительно смогли экстраполировать эту шкалу на астрономические объекты, включая протозвездный джет HH 211 и остатки супернов SN 1987A и SN 1006. Применение известного параметрического пространства для этих нерелятивистских ударных волн показывает, что эти фундаментальные процессы могут ускорять частицы до энергий порядка десятков ТэВ, диапазон энергии, который, вероятно, способствует наблюдаемой обрезке электронов в спектре космических лучей. Более того, предсказанные максимальные энергии для SN 1006 согласуются с наблюдениями, что напрямую подтверждает их модель.

Следующим важным шагом станет оценка представленной модели для других астрономических объектов (например, различных остатков супернов, нов, ультрагорячих Юпитеров или джетов гамма-всплесков) и определение относительного вклада различных астрофизических ускорителей в поток космических лучей. Эти ускорители включают не только нерелятивистские ударные волны без столкновений (как те, что изучаются здесь), но и такие явления, как радиационные пояса, скопления массивных звезд, блазары, ультрабыстрые ветры активных галактических ядер и бинарные звездные системы. Эти исследования потребуют глубоких симуляций и наблюдений, выполненных междисциплинарно.

Хотя это представляет собой вызов, размеры ударных волн, интенсивность магнитного поля и свойства окружающей среды некоторых протозвездных джетов и остатков супернов могут быть оценены на основе прямых наблюдений, что позволит протестировать и уточнить предложенную модель.

На первый взгляд, планета, молодая звезда и остаток суперновы могут показаться не имеющими ничего общего: это очень разные системы с широкой гаммой физических условий. Однако увлекательная гипотеза Раптиса и его коллег о том, что транзиторные плазменные структуры перед ударами могут управлять ускорением частиц в этих системах, должна побудить к дальнейшему изучению астрофизических окружений, в которых происходит ускорение частиц, от планетарных до экстрагалактических масштабов.