Физики добрались до шоковых фронтов космических частиц

Кластер MMS у границ магнитосферы Земли. Иллюстрации Physorg

В далеком 1936 году Нобелевский комитет решил присудить премию по физике зрелому австрийскому ученому Виктору Гессу и молодому 30-летнему американцу Карлу Андерсону за открытие космических лучей. Эти лучи порождают в земной атмосфере ливень производных частиц («душ»), достигающих поверхности нашей планеты и уходящих даже под землю.

Оставался невыясненным вопрос об источнике лучей, представляющих собой разогнанные до больших скоростей ионизированные частицы космического газа, распространяющихся на гигантские расстояния. Благодаря железному ядру в недрах Земли планета защищена от космической «агрессии» мощным магнитным полем, отклоняющим потоки космического излучения к полюсам. Именно это и становится причиной северных сияний. Кстати, космические лучи – важный компонент воздействия космоса на людей и их корабли при длительных полетах, что делает малореальными надежды на то, что «и на Марсе будут яблони цвести».

Исследования, проводимые с помощью выведенных на орбиту зондов и телескопов, показали наличие вокруг космических объектов так называемого фронта ускорения заряженных частиц. Другое название этого феномена – шок. Его сравнивают со звуковым, возникающим в момент преодоления звукового барьера. Земли достигает шок солнечного ветра, который представлялся в виде плоского фронта, ударяющего в магнитосферу планеты. По достижении ее, шок ломается наподобие морской волны, накатывающейся на берег.

Шок солнечного ветра (справа), ударяющийся в магнитосферу Земли. Иллюстрации Physorg

Выяснилось, что на поверхности шока имеется рябь (ripples), которую раньше не видели из-за малой ее высоты и большой скорости распространения. Шоки оказались очень эффективными ускорителями частиц до энергий, которые недостижимы в земных условиях. Указывалось также, что плазма в шоках претерпевает значительное нагревание в силу преобразования ее кинетической энергии.

И вот сейчас шведские физики и их коллеги из Университета Шеффилда (Англия) представили на страницах журнала Science Advances детальное описание результатов измерений достигающего Земли космического шока, проведенных 24 января 2015 года. Измерения проводились в 90 000 км от планеты, и расстояние между элементами кластера составляло, как сказано выше, 7 км. Оказалось, что плазменный шок с большим числом Маха является нестационарным и без столкновений частиц.

Большой интерес для физиков представляет фундаментальный процесс перераспределения кинетической энергии шока при столкновении с магнитосферой Земли. Эта кинетическая энергия конверсируется в тепло. Электроны начинают вращаться вокруг магнитных силовых линий. Энергетическая конверсия происходит в тонком слое шока, в котором свойства плазмы и окружающих ее полей могут меняться весьма существенно.

Помимо фундаментального значения нового открытия имеется также и чисто практический момент. Прямые измерения ряби на поверхности плазменного шока позволили сделать шаг к пониманию того, как шоки образуют космические лучи. Кластер MMS позволит детально исследовать магнитную среду Земли с гораздо большим разрешением.