Så fungerar snabba elektroner i rymden

Rymden är fylld med laddade partiklar. En del elektroner runt jorden kan få så höga energier att de rör sig med mer än halva ljushastigheten. Nya observationer av satelliter uppskickade av den europeiska rymdorganisationen ESA visar att pulserande partikelstrålar kan orsaka de höga energierna.

Från solen kommer en solvind med laddade partiklar och magnetfält. När solvinden möter jordens magnetfält ute i rymden sker en första omvandling av energi. Strålar med laddade partiklar riktas mot jordens nattsida. Vissa partikelstrålar träffar atmosfären och orsakar norrsken. Men en del elektroner får mycket högre energier än vad som finns i de strålar som brukar nå atmosfären.

Nya mätningar med ESA:s fyra Cluster-satelliter visar att det är pulserande partikelstrålar som kan ge elektroner med mycket höga energier. Solvinden ger alltså först energi till strålar med laddade partiklar som sedan i ytterligare ett steg accelererar elektroner till mycket höga energier.

Man skulle kunna tro att en stabil partikelstråle med ganska hög hastighet skulle vara effektivast för att accelerera elektroner ytterligare. Men det visar sig att ändringarna i hastigheten är väsentliga. Ändringarna kan trycka ihop magnetfältet, och sedan låta det expandera igen. Det är just hoptryckningen av magnetfältet som är väsentligt för att elektroner ska få höga energier.

Runt jorden kan elektroner med hög energi skada satelliter och kan också vara ett problem för bemannade rymdfärder. Elektroner med hög energi är vanliga i hela universum men vi kan observera kedjan av processer som orsakar de höga energierna bara i närheten av jorden. Mätningarna av processerna har gjorts av de europeiska Cluster-satelliterna och har bearbetats av forskare vid Institutet för rymdfysik, IRF, i Uppsala. Studien har samordnats av Huishan Fu och har publicerats i julinumret av Nature Physics.

”Lösningen var överraskande, men enkel. En partikelstråle med ganska hög hastighet innehåller mer energi, men det är en stråle med varierande hastighet som kan överföra mycket energi till några av elektronerna. Naturen behöver flera steg för att accelerera elektronerna”, säger Mats André, en av forskarna som deltagit i studien.

”I think we have found a simple, yet surprising, explanation for many of the energetic electrons in space. Pulsating particle jets, caused by unsteady magnetic reconnection, cause Fermi and betatron acceleration, resulting in electron energies of more than 100 keV”, säger Huishan Fu, nu vid Yunnan Normal University, Kunming, Kina.

Artikel:
H. S. Fu, Yu. V. Khotyaintsev, A. Vaivads, A. Retinò and M. André, Energetic electron acceleration by unsteady magnetic reconnection, Nature Physics, doi: 10.1038/NPHYS2664, 2013.