การวัดล่าสุดจากยานอวกาศ Van Allen Probes ของ NASA แสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนสามารถเข้าถึงพลังงานสัมพัทธภาพพิเศษที่บินด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง Hayley Allison, Yuri Shprits และผู้ทำงานร่วมกันจากศูนย์วิจัยธรณีศาสตร์ของเยอรมันได้เปิดเผยว่าภายใต้เงื่อนไขใดที่การเร่งความเร็วที่รุนแรงดังกล่าวเกิดขึ้น พวกเขาได้แสดงให้เห็นแล้วในปี 2020 ว่าในช่วงคลื่นพลาสม่าของพายุสุริยะมีบทบาทสำคัญในการนั้น อย่างไรก็ตาม ก่อนหน้านี้ยังไม่มีความชัดเจนว่าทำไมพลังงานอิเล็กตรอนที่สูงเช่นนี้ไม่สามารถทำได้ในพายุสุริยะทั้งหมด ในวารสารScience Advances Allison, Shprits และเพื่อนร่วมงานได้แสดงให้เห็นว่าการลดลงอย่างมากของความหนาแน่นของพลาสมาในพื้นหลังเป็นสิ่งสำคัญ

อิเล็กตรอนที่มีสัมพัทธภาพสูงในอวกาศ

ที่พลังงานสัมพัทธภาพสูงเป็นพิเศษ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง จากนั้นกฎสัมพัทธภาพก็มีความสำคัญมากที่สุด มวลของอนุภาคเพิ่มขึ้นเป็นสิบเท่า เวลาช้าลง และระยะทางลดลง ด้วยพลังงานที่สูงเช่นนี้ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจึงเป็นอันตรายที่สุดต่อดาวเทียมที่มีการป้องกันที่ดีที่สุด เนื่องจากแทบไม่มีเกราะป้องกันใดสามารถหยุดพวกมันได้ ประจุของพวกมันจึงสามารถทำลายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนได้ การคาดคะเนการเกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น เป็นส่วนหนึ่งของการสังเกตการณ์สภาพอากาศในอวกาศที่ฝึกที่ GFZ เป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับโครงสร้างพื้นฐานสมัยใหม่

เพื่อตรวจสอบสภาวะของการเร่งความเร็วมหาศาลของอิเล็กตรอน Allison และ Shprits ใช้ข้อมูลจากภารกิจคู่ "Van Allen Probes" ซึ่งองค์การอวกาศของสหรัฐฯ NASA เปิดตัวในปี 2555 จุดมุ่งหมายคือการวัดอย่างละเอียดในการแผ่รังสี เข็มขัดที่เรียกว่าเข็มขัดแวนอัลเลนซึ่งล้อมรอบโลกในรูปโดนัทในอวกาศ ที่นี่ -- เช่นเดียวกับพื้นที่อื่นๆ -- ส่วนผสมของอนุภาคที่มีประจุบวกและลบทำให้เกิดพลาสมา คลื่นพลาสม่าสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นความผันผวนของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กซึ่งตื่นเต้นจากพายุสุริยะ เป็นแรงผลักดันที่สำคัญสำหรับการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอน

การวิเคราะห์ข้อมูลด้วยแมชชีนเลิร์นนิง

ในระหว่างการปฏิบัติภารกิจ พายุสุริยะทั้งสองที่ผลิตอิเล็กตรอนและพายุที่มีสัมพัทธภาพสูงโดยไม่มีผลกระทบนี้ถูกสังเกตพบ ความหนาแน่นของพลาสมาพื้นหลังกลายเป็นปัจจัยชี้ขาดสำหรับการเร่งความเร็วที่รุนแรง: อิเล็กตรอนที่มีพลังงานสัมพัทธภาพสูงเป็นพิเศษจะสังเกตเห็นว่าเพิ่มขึ้นก็ต่อเมื่อความหนาแน่นของพลาสมาลดลงเหลือค่าที่ต่ำมากเพียงประมาณสิบอนุภาคต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ในขณะที่ปกติ ความหนาแน่นดังกล่าวสูงกว่าห้าถึงสิบเท่า

ผู้เขียนได้แสดงให้เห็นว่าช่วงเวลาที่มีความหนาแน่นต่ำสร้างเงื่อนไขพิเศษสำหรับการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอน จากช่วงเริ่มต้นไม่กี่แสนถึงมากกว่าเจ็ดล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ในการวิเคราะห์ข้อมูลจากโพรบ Van Allen นักวิจัยได้ใช้วิธีการเรียนรู้ด้วยเครื่องซึ่งการพัฒนาได้รับทุนจากเครือข่าย GEO.X พวกเขาช่วยให้ผู้เขียนสามารถสรุปความหนาแน่นของพลาสมาทั้งหมดจากความผันผวนที่วัดได้ของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

บทบาทสำคัญของพลาสม่า

"การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนในแถบการแผ่รังสีของโลกสามารถเร่งความเร็วในพื้นที่ไปยังพลังงานที่มีสัมพัทธภาพสูงในทันที หากเงื่อนไขของสภาพแวดล้อมพลาสม่า - คลื่นพลาสม่าและความหนาแน่นของพลาสมาต่ำชั่วคราว - ถูกต้อง อนุภาคถือได้ว่าเป็นการโต้คลื่น บนคลื่นพลาสม่า ในบริเวณที่มีความหนาแน่นของพลาสมาต่ำมากพวกเขาสามารถใช้พลังงานจากคลื่นพลาสมาได้มาก กลไกที่คล้ายกันอาจทำงานในสนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์ชั้นนอกเช่นดาวพฤหัสบดีหรือดาวเสาร์และในวัตถุทางดาราศาสตร์อื่น ๆ "ยูริกล่าว Shprits หัวหน้าแผนกฟิสิกส์อวกาศและสภาพอากาศในอวกาศของ GFZ และศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยพอทสดัม

"ดังนั้น ในการบรรลุถึงพลังงานสุดขั้วดังกล่าว กระบวนการเร่งความเร็วแบบสองขั้นตอนจึงไม่จำเป็น ตามที่สันนิษฐานไว้นาน -- เริ่มจากบริเวณด้านนอกของสนามแม่เหล็กเข้าไปในแถบนั้นแล้วเข้าไปด้านใน การดำเนินการนี้ยังสนับสนุนผลการวิจัยของเราจากปีที่แล้วอีกด้วย" เพิ่ม Hayley Allison, PostDoc ในฟิสิกส์ Section Space และสภาพอากาศในอวกาศ