Обнаружение «улыбающихся электронов» в магнитосфере Земли уточняет механизмы космической погоды

Ученые подтвердили обнаружение в защитном магнитном поле Земли уникальных структур, получивших название «улыбающиеся электроны». Это достижение предоставляет фундаментальные сведения о механизмах магнитных пересоединений, лежащих в основе явлений космической погоды. Исследование, опубликованное в журнале Nature: Communications Physics, было инициировано Джейсоном Шустером, доцентом физики Университета Нью-Гэмпшира (UNH).

Шустер разработал новую методологию для визуализации данных о скорости электронов, применив ее к наблюдениям, собранным в рамках миссии НАСА Magnetospheric Multiscale (MMS). Миссия MMS, запущенная в марте 2015 года, использует четыре идентичных космических аппарата для изучения микрофизики процессов, таких как магнитное пересоединение, ускорение энергичных частиц и турбулентность в магнитосфере Земли. Уникальное распределение электронов в форме улыбки фиксируется в так называемой области электронного диффузии (ЭРО) — критически важной зоне, где магнитное поле Земли взаимодействует с солнечным ветром.

Ранее ЭРО считалась областью с недостаточной детализацией зондирования, однако теперь структура в виде улыбки служит «картой» для понимания механизмов переноса энергии в космическом пространстве. Магнитное пересоединение — это процесс внезапной реконфигурации силовых магнитных линий, высвобождающий взрывную энергию. Понимание этой структуры критически важно для прогнозирования космической погоды, события которой, вызванные, например, корональными выбросами массы (КВМ) от Солнца, представляют угрозу для спутников, систем связи и навигации GPS.

Шустер, посвятивший изучению магнитного пересоединения последние 16 лет, стремится восстановить картину действий электронов в магнитосфере в этих узловых точках. Его исследование, где симуляции предсказывали структуру улыбки еще до ее обнаружения в реальных данных MMS, подтвердило, что электроны могут демонстрировать такую форму, несмотря на их отрицательный заряд. Открытие имеет универсальное значение, поскольку обнаруженный шаблон применим для анализа плазменных сред по всей Вселенной, включая области вблизи черных дыр и магнитосферы других планет.

Миссия MMS, оперируя четырьмя аппаратами в тетраэдральной формации, смогла зафиксировать более 3000 событий пересоединения на границе магнитосферы всего за шесть месяцев. Это позволило измерить скорости пересоединения в ЭРО в диапазоне от 0,01 до 0,5. Понимание кинетических процессов в ЭРО, где происходит взрывное высвобождение энергии, является ключевым для защиты технологической цивилизации. Данное исследование, финансируемое НАСА, открывает новую главу в изучении того, как плазма управляет энергетическими процессами в космическом вакууме.