14.09.2020

Elektronen surfen um die Erde

Plasmawellen beschleunigen Elektronen im erdnahen Raum auf ultrarelativistische Energien.

Das Magnetfeld der Erde fängt hoch­energetische Teilchen ein. Als die ersten Satelliten ins All geschossen wurden, entdeckten Forscher unter der Leitung von James Van Allen die Regionen mit hoch­energetischer Teilchen­strahlung, die später nach ihrem Entdecker Van-Allen-Strahlungsgürtel benannt wurden. Visualisiert sehen diese wie zwei gigantische Donuts aus, die unseren Planeten umschließen. Nun zeigt eine neue Studie unter der Leitung von Forschern des Deutschen Geo­forschungs­zentrums GFZ, dass Elektronen in den Strahlungs­gürteln lokal auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden können. Die Studie zeigt, dass die Magneto­sphäre wie ein sehr effizienter Teilchen­beschleuniger funktioniert, der Elektronen auf ultrarelativistische Energien beschleunigt, wie die von Hayley Allison, Postdoc-Stipendiatin am GFZ Potsdam, und Yuri Shprits, Sektions­leiter am GFZ und Professor an der Universität Potsdam durch­geführte Studie zeigt. 
 

Abb.: Satelliten durchqueren den Van-Allen-Strahlungs­gürtel. (Bild: Y....
Abb.: Satelliten durchqueren den Van-Allen-Strahlungs­gürtel. (Bild: Y. Shprits / NASA)

Um den Ursprung der Van-Allen-Gürtel besser zu verstehen, startete die NASA 2012 die Zwillings­mission der Van-Allen-Sonden, um diese harsche Umgebung zu durchqueren und detaillierte Messungen in dieser gefährlichen Region durch­zuführen. Die Messungen umfassten eine ganze Reihe von Partikeln, die sich mit unterschiedlichen Geschwindig­keiten und in verschiedene Richtungen bewegen, sowie Plasma­wellen. Plasma­wellen ähneln den Wellen, die wir auf der Wasser­oberfläche sehen, sind aber für das bloße Auge unsichtbar. Sie können mit Wellen im elektrischen und magnetischen Feld verglichen werden. Neuere Beobachtungen haben gezeigt, dass die Energie der Elektronen in den Strahlungs­gürteln bis zu ultra­relativistischen Energien gehen kann. Diese Elektronen mit Temperaturen etwa 40 Milliarden Grad Celsius bewegen sich so schnell, dass ihre Bewegungs­energie viel höher ist als ihre Ruheenergie. Sie sind so schnell, dass sich der Zeitfluss für diese Teilchen deutlich verlangsamt.

Die Wissenschaftler waren überrascht, diese ultra­relativistischen Elektronen zu finden, und nahmen an, dass so hohe Energien nur durch eine Kombination von zwei Prozessen erreicht werden können: der Transport von Teilchen herein aus den äußeren Bereichen der Magneto­sphäre, der sie beschleunigt, sowie eine lokale Beschleunigung der Teilchen durch Plasmawellen.

Die neue Studie zeigt jedoch, dass Elektronen solche unglaublichen Energien lokal, im Herzen der Van-Allen-Gürtel, erreichen, indem sie all diese Energie den Plasmawellen entziehen. Dieser Prozess erweist sich als äußerst effizient. Die unerwartete Entdeckung, wie die Beschleunigung von Teilchen auf ultra­relativistische Energien im erdnahen Raum funktioniert, könnte den Wissenschaftlern helfen, die grundlegenden Prozesse der Beschleunigung von Partikeln auf der Sonne, in der Nähe von äußeren Planeten und sogar in den fernen Winkeln des Universums, die von Raum­sonden nicht erreicht werden können, zu verstehen. 

GFZ / DE
 

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