Зонды помогли разгадать загадку происхождения поясов Ван Аллена

Помимо магнитного поля, защищающего Землю от смертоносного солнечного ветра и космической радиации, вокруг нашей планеты обращаются два (по другим версиям, три) плотных кольца из электронов. Эти кольца были названы в честь своего первооткрывателя, американского астрофизика Джеймса Ван Аллена (James Van Allen). В 1958 году искусственный спутник "Эксплорер-1" передал на Землю данные о том, что нашу планету обегают многочисленные электроны, движущиеся со скоростью, близкой к световой.

Через несколько лет после открытия исследователи высказали первые предположения о происхождении радиационных поясов. Они посчитали, что электроны попали туда из высоких уровней магнитосферы Земли — пузыря из магнитного поля, который окружает планету. Учёные предположили, что частицы, которые находятся ближе к поверхности Земли, подвергаются воздействию магнитного поля, вследствие чего ускоряются и принимают форму кольца.

Но, если бы всё происходило именно так, то плотность и энергия менялась бы с периодичностью от нескольких дней до нескольких недель, а наблюдения спутников в 1990-х годах показали, что изменения происходят намного чаще. В результате теория о происхождении электронов извне потерпела крах. Астрофизики выяснили, что частицы образуются локально: электрическое поле внутри кольца выталкивает электроны из ближайших атомов и разгоняет их до скоростей, близких к световым. В таком случае плотность и энергия пояса Ван Аллена менялась бы с периодичностью от нескольких секунд до нескольких часов, что более-менее совпадало с наблюдениями.

"До некоторого времени спутники Земли не были заточены под определение параметров радиационных поясов. Они не могли рассмотреть кольца электронов с разных сторон, и потому их данных было недостаточно для того, чтобы определить происхождение частиц и того, что их ускоряет", — рассказывает соавтор исследования Хэрлан Спенс (Harlan Spence) из университета Нью-Гэмпшира.

Но в 2012 году NASA запланировало запуск двух спутников-близнецов, которые будут изучать только пояса Ван Аллена, рассматривая их с разных углов и локаций. В первых числах октября 2012 года солнечная буря истощила запас электронов на внешнем радиационном поясе. Тогда оба спутника зафиксировали увеличение плотности электронов в тысячу раз менее чем за 12 часов. Данные полноценно проанализировали лишь недавно.

"После того случая у нас появилась возможность различить два разных способа ускорения частиц в поясах Ван Аллена. С помощью этих спутников мы смогли заглянуть в их самое сердце", — рассказывает Спенс.

Он и его коллеги полагают, что частота электромагнитных волн в радиационном поясе совпадает с частотой электронов, двигающихся в локальном магнитном поле. Это самое простое объяснение ускорению частиц.

Локальные ускорения электронов, обращающихся вокруг Земли, могут быть такими же, как в случае с более крупными радиационными поясами — Юпитера или Сатурна и некоторых крупных небесных тел за пределами Солнечной системы. Такие же кольца из электронов могут быть и у звёзд, испускающих в большом количестве рентгеновское излучение и имеющих сильное магнитное поле. Спенс считает, что имея определённую модель ускорения частиц, можно будет изучать похожие процессы и у других небесных тел.

О результатах своей работы астрофизики сообщили в статье, опубликованной в журнале Science.

Также по теме:
НАСА запустит зонды для изучения поясов Ван Аллена 
Специалисты NASA обнаружили необъяснимый третий радиационный пояс Земли 
Нейтронный детектор на орбите 
Горячий поток солнечной плазмы принес на Землю магнитные бури