محققان منبع باران الکترونی فوق سریع را کشف کردند!!

الکترون‌های موجود در کمربند تشعشعی ون آلن (آبی) با امواج صوتی الکترومغناطیسی (بنفش) مواجه می‌شوند و به سمت قطب شمال (قرمز) می‌بارند. ماهواره‌های THEMIS در نزدیکی کمربند تشعشعی دیده می‌شوند، در حالی که ELFIN UCLA در بالای زمین شناور است. اعتبار: ژانگ و همکاران، Nature Communications، 2022

دانشمندان UCLA منبع جدیدی از الکترون‌های فوق سریع و پرانرژی را کشف کرده‌اند که بر روی زمین می‌بارند، پدیده‌ای که به پیدایش شفق‌های قطبی رنگارنگ کمک می‌کند اما برای ماهواره‌ها، فضاپیماها و فضانوردان نیز خطراتی ایجاد می‌کند.

محققان با استفاده از مأموریت ELFIN، یک جفت ماهواره کوچک در محوطه دانشگاه UCLA توسط دانشجویان کارشناسی و کارشناسی ارشد که توسط تیم کوچکی از مربیان کارکنان هدایت می‌شدند، «بارش‌های الکترونی» غیرمنتظره و سریع را از مدار نزدیک زمین مشاهده کردند.

با ترکیب داده‌های ELFIN با مشاهدات دورتر از فضاپیمای THEMIS ناسا، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که باران ناگهانی ناشی از امواج صوتی الکترومغناطیسی است که در پلاسما در فضا موج می‌زند و بر الکترون‌های موجود در مگنتوسفر زمین تأثیر می‌گذارد.

یافته‌های آن‌ها که در 25 مارس در مجله Nature Communications منتشر شد، نشان می‌دهد که امواج صوتی الکترومغناطیسی بیش از آنچه نظریه‌های کنونی و مدل‌های هواشناسی فضایی پیش‌بینی می‌کنند، مسئول بارش الکترونی هستند.

خیاوجیا ژانگ، نویسنده اصلی و محقق در بخش علوم زمین، سیاره و فضای UCLA گفت: ELFIN اولین ماهواره‌ای است که این الکترون‌های فوق سریع را اندازه‌گیری می‌کند.

مرکز این زنجیره از رویدادها، فضایی نزدیک به زمین است که مملو از ذرات باردار است که در حلقه‌های غول‌پیکر به نام کمربند تشعشعی ون آلن به دور سیاره می‌چرخند. الکترونهای موجود در این کمربندها در مارپیچ‌هایی حرکت می‌کنند که به معنای واقعی کلمه بین قطب‌های شمال و جنوب زمین پرش می‌کنند. تحت شرایط خاصی، امواج صوتی الکترومغناطیسی در کمربندهای تشعشعی ایجاد می‌شوند و به الکترون‌ها انرژی و سرعت می‌دهند. این امر به طور موثر مسیر حرکت الکترون‌ها را به قدری گسترش می‌دهد که از کمربندها خارج می‌شوند و به جو رخنه می‌کنند و باران الکترونی ایجاد می کنند.

باران الکترونی که می‌تواند باعث ایجاد شفق قطبی شود و بر ماهواره های در حال گردش و شیمی جو تأثیر بگذارد. اعتبار: ناسا، امانوئل ماسون سونگ/UCLA

واسیلیس آنجلوپولوس، استاد فیزیک فضایی UCLA و محقق اصلی ELFIN گفت: می‌توان کمربندهای ون آلن را به‌عنوان یک مخزن بزرگ پر از آب یا در این مورد، الکترون تصور کرد. همانطور که مخزن پر می‌شود، آب به صورت مارپیچی تخلیه می‌شود تا از سرریز شدن حوض جلوگیری کند. اما هنگامی که امواج بزرگ در مخزن رخ می‌دهد، آب در حال ریزش سریعتر و با حجم بیشتری به لبه می‌ریزد. ELFIN که در پایین دست هر دو جریان است، می‌تواند سهم هر یک را به درستی اندازه‌گیری کند.

اندازه‌گیری‌های باران الکترونی در ارتفاع پایین توسط ELFIN، همراه با مشاهدات THEMIS امواج سوتلر در فضا و مدل‌سازی پیچیده رایانه‌ای، به تیم اجازه داد تا فرآیندی را که توسط امواج باعث می‌شود سیلاب‌های سریع الکترون‌ها به اتمسفر سرازیر شوند را درک کنند.

این یافته‌ها به‌ویژه مهم هستند، زیرا نظریه‌های فعلی و مدل‌های آب‌وهوای فضا، در حالی که منابع دیگر الکترون‌هایی را در نظر می‌گیرند که وارد اتمسفر می‌شوند، این جریان الکترون اضافی ناشی از موج صوتی الکترومغناطیسی را پیش‌بینی نمی‌کنند که می‌تواند بر شیمی اتمسفر زمین تأثیر بگذارد، خطراتی را برای فضاپیما و ماهواره های در حال گردش به همراه داشته باشد.

محققان همچنین نشان دادند که این نوع از دست دادن الکترون کمربند تشعشعی به جو می‌تواند به طور قابل توجهی در طول طوفان‌های ژئومغناطیسی افزایش یابد، اختلالات ناشی از افزایش فعالیت خورشیدی که می‌تواند فضای نزدیک زمین و محیط مغناطیسی زمین را تحت تاثیر قرار دهد.

آنجلوپولوس گفت: «اگرچه معمولا تصور می‌شود فضا از جو بالایی ما جدا است، اما این دو به طور جدایی‌ناپذیری به هم مرتبط هستند. “درک نحوه پیوند آنها می‌تواند برای ماهواره‌ها و فضانوردانی که از منطقه عبور می کنند مفید باشد که برای تجارت، مخابرات و گردشگری فضایی اهمیت فزاینده‌ای دارند.”

از زمان آغاز به کار آن در سال 2013، بیش از 300 دانشجوی UCLA روی ELFIN (تحقیقات تلفات و میدان‌های الکترون) کار کرده‌اند که توسط ناسا و بنیاد ملی علوم تامین می‌شود. این دو ریزماهواره که هر کدام به اندازه یک قرص نان و وزن تقریباً 8 پوند هستند، در سال 2018 به مدار زمین پرتاب شدند و از آن زمان تاکنون فعالیت الکترون‌های پرانرژی را رصد کرده و به دانشمندان کمک می‌کنند تا تأثیر طوفان‌های مغناطیسی را درک کنند.

کالین ویلکینز، یکی از نویسندگان تحقیق کنونی که رهبر ابزار E در E است، گفت: “این بسیار لذت‌بخش است که دانش خود را در مورد علوم فضایی با استفاده از داده‌های سخت‌افزاری افزایش دهیم که خودمان ساخته‌ایم.”

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Researchers discover source of super-fast electron rain

by Emmanuel Masongsong, University of California, Los Angeles MARCH 30, 2022

https://phys.org/news/2022-03-source-super-fast-electron.html