Các nhà khoa học biết thứ gì đó gia tốc các hạt trong vành đai tới 99% tốc độ ánh sáng. Kết quả mới cho thấy năng lượng tăng tốc đến từ bên trong vành đai.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra một máy gia tốc hạt khổng lồ ở trung tâm của một trong những khu vực khắc nghiệt nhất của không gian gần Trái đất, một khu vực chứa các hạt siêu năng lượng, tích điện bao quanh quả cầu gọi là vành đai bức xạ Van Allen. Các nhà khoa học biết rằng một cái gì đó trong không gian đã tăng tốc các hạt trong vành đai bức xạ tới hơn 99% tốc độ ánh sáng nhưng họ không biết đó là thứ gì. Kết quả mới từ NASA Pro Van Van Probes hiện cho thấy năng lượng tăng tốc đến từ chính vành đai. Các hạt bên trong vành đai được tăng tốc bởi những cú đá năng lượng cục bộ, đưa các hạt đến tốc độ nhanh hơn bao giờ hết, giống như một cú đẩy thời gian hoàn hảo trên một cú swing di chuyển.
Việc phát hiện ra rằng các hạt được gia tốc bởi một nguồn năng lượng địa phương giống như khám phá rằng các cơn bão phát triển từ một nguồn năng lượng địa phương, chẳng hạn như một vùng nước biển ấm. Trong trường hợp các vành đai bức xạ, nguồn là một vùng của sóng điện từ cực mạnh, khai thác năng lượng từ các hạt khác nằm trong cùng khu vực. Biết vị trí của gia tốc sẽ giúp các nhà khoa học cải thiện dự đoán thời tiết không gian, bởi vì những thay đổi trong vành đai bức xạ có thể gây rủi ro cho các vệ tinh gần Trái đất. Kết quả được công bố trên tạp chí Khoa học vào ngày 25 tháng 7 năm 2013.
Các quan sát gần đây của sinh viên Van Allen Probes của NASA cho thấy các hạt trong vành đai bức xạ xung quanh Trái đất được gia tốc bằng một cú đá năng lượng cục bộ, giúp giải thích làm thế nào các hạt này đạt tốc độ 99% tốc độ ánh sáng. Tín dụng hình ảnh: G. Reeves / M. Henderson
Để các nhà khoa học hiểu rõ hơn về vành đai, Van Allen Probes được thiết kế để bay thẳng qua khu vực không gian khốc liệt này. Khi nhiệm vụ được đưa ra vào tháng 8 năm 2012, nó đã có các mục tiêu cấp cao nhất để hiểu làm thế nào các hạt trong vành đai được gia tốc lên năng lượng cực cao và làm thế nào các hạt đôi khi có thể thoát ra. Bằng cách xác định rằng gia tốc cực nhanh này đến từ những cú đá năng lượng cục bộ này, trái ngược với quá trình toàn cầu hơn, lần đầu tiên các nhà khoa học đã có thể trả lời dứt khoát một trong những câu hỏi quan trọng đó.
David Đây là một trong những kết quả được mong đợi và thú vị nhất từ Van Allen Probes, ông David Sibeck, nhà khoa học dự án Van Allen Probes tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA ở Greenbelt, Md. sứ mệnh."
Các vành đai bức xạ được phát hiện khi phóng các vệ tinh thành công đầu tiên của Hoa Kỳ được gửi vào vũ trụ, Explorers I và III. Người ta nhanh chóng nhận ra rằng các vành đai là một trong những môi trường nguy hiểm nhất mà tàu vũ trụ có thể trải nghiệm. Hầu hết các quỹ đạo vệ tinh được chọn để thả bên dưới vành đai bức xạ hoặc vòng tròn bên ngoài chúng, và một số vệ tinh, như tàu vũ trụ GPS, phải hoạt động giữa hai vành đai. Khi vành đai phồng lên do thời tiết không gian đến, chúng có thể bao quanh các tàu vũ trụ này, phơi chúng ra bức xạ nguy hiểm. Thật vậy, một số lượng đáng kể các sự cố vĩnh viễn trên tàu vũ trụ đã được gây ra bởi bức xạ. Với đủ cảnh báo, chúng ta có thể bảo vệ công nghệ khỏi những hậu quả tồi tệ nhất, nhưng cảnh báo đó chỉ có thể đạt được nếu chúng ta thực sự hiểu được động lực của những gì mà xảy ra bên trong những vành đai bí ẩn này.
Cho đến những năm 1990, chúng tôi nghĩ rằng vành đai Van Allen hoạt động khá tốt và thay đổi chậm chạp, Geoff Reeves, tác giả đầu tiên trên báo và là nhà khoa học vành đai bức xạ tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở Los Alamos, NM. và nhiều phép đo hơn, tuy nhiên, chúng tôi nhận ra rằng các vành đai bức xạ đã thay đổi nhanh chóng và khó lường như thế nào. Về cơ bản, chúng không bao giờ ở trạng thái cân bằng, nhưng ở trạng thái thay đổi liên tục.
Trên thực tế, các nhà khoa học nhận ra rằng những chiếc thắt lưng don thậm chí còn thay đổi liên tục để đáp ứng với những gì dường như là những kích thích tương tự. Một số cơn bão mặt trời khiến vành đai tăng cường; một số khác khiến cho dây đai bị cạn kiệt, và một số dường như không có tác dụng gì cả. Hiệu ứng khác biệt như vậy từ các sự kiện tương tự rõ ràng cho thấy khu vực này bí ẩn hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây. Để hiểu - và cuối cùng dự đoán - cơn bão mặt trời nào sẽ tăng cường các vành đai bức xạ, các nhà khoa học muốn biết năng lượng làm tăng tốc các hạt đến từ đâu.
Van Probes sinh đôi được thiết kế để phân biệt giữa hai khả năng rộng lớn về quá trình gia tốc các hạt đến tốc độ đáng kinh ngạc như vậy: gia tốc hướng tâm hoặc gia tốc cục bộ. Trong gia tốc hướng tâm, các hạt được vận chuyển vuông góc với từ trường bao quanh Trái đất, từ các khu vực có cường độ từ tính thấp từ Trái đất đến các khu vực có cường độ từ tính cao gần Trái đất. Các định luật vật lý cho rằng tốc độ hạt trong kịch bản này sẽ tăng tốc khi cường độ từ trường tăng. Vì vậy, tốc độ sẽ tăng lên khi các hạt di chuyển về phía Trái đất, giống như cách một hòn đá lăn xuống đồi tập hợp tốc độ đơn giản là do trọng lực. Lý thuyết gia tốc cục bộ đặt ra rằng các hạt thu được năng lượng từ nguồn năng lượng địa phương giống với cách nước biển nóng sinh ra một cơn bão bên trên nó.
Hai dải hạt xung quanh Trái đất được gọi là vành đai bức xạ là một trong những máy gia tốc tự nhiên lớn nhất trong hệ mặt trời, có thể đẩy các hạt lên tới 99% tốc độ ánh sáng. Van Allen Probes ra mắt vào tháng 8 năm 2012, hiện đã phát hiện ra các cơ chế đằng sau sự tăng tốc này. Tín dụng hình ảnh: NASA / Goddard / Khoa học trực quan khoa học
Để giúp phân biệt giữa các khả năng này, Van Allen Probes bao gồm hai tàu vũ trụ. Với hai bộ quan sát, các nhà khoa học có thể đo các hạt và nguồn năng lượng đồng thời ở hai vùng không gian, điều này rất quan trọng để phân biệt giữa các nguyên nhân xảy ra cục bộ hoặc đến từ xa. Ngoài ra, mỗi tàu vũ trụ đều được trang bị các cảm biến để đo năng lượng hạt và vị trí và xác định góc độ - nghĩa là góc chuyển động đối với từ trường Trái đất. Tất cả những điều này sẽ thay đổi theo những cách khác nhau tùy thuộc vào lực tác động lên chúng, do đó giúp các nhà khoa học phân biệt giữa các lý thuyết.
Được trang bị dữ liệu như vậy, Reeves và nhóm của ông đã quan sát thấy sự gia tăng năng lượng nhanh chóng của các electron năng lượng cao trong các vành đai bức xạ vào ngày 9 tháng 10 năm 2012. Nếu sự gia tốc của các electron này xảy ra do sự vận chuyển xuyên tâm, người ta sẽ đo được các hiệu ứng bắt đầu từ xa từ Trái đất và di chuyển vào trong do hình dạng và sức mạnh của các lĩnh vực xung quanh. Trong một kịch bản như vậy, các hạt di chuyển trên từ trường tự nhiên nhảy từ tầng này sang tầng khác trong một tầng tương tự, thu thập tốc độ và năng lượng trên đường đi - tương quan với kịch bản đó của những tảng đá lăn xuống một ngọn đồi.
Nhưng các quan sát đã không cho thấy một sự tăng cường hình thành từ Trái đất và dần dần di chuyển vào bên trong. Thay vào đó, họ cho thấy sự gia tăng năng lượng bắt đầu ngay giữa các vành đai bức xạ và dần dần lan ra cả bên trong lẫn bên ngoài, ngụ ý một nguồn gia tốc cục bộ.
Re Trong trường hợp cụ thể này, tất cả các lần tăng tốc diễn ra trong khoảng 12 giờ, Reeves nói. Với các phép đo trước đây, một vệ tinh có thể chỉ có thể bay qua một sự kiện như vậy một lần và không có cơ hội chứng kiến những thay đổi thực sự xảy ra. Với Van Allen Probes, chúng tôi có hai vệ tinh và do đó có thể quan sát cách mọi thứ thay đổi và nơi những thay đổi đó bắt đầu.
Các nhà khoa học tin rằng những kết quả mới này sẽ dẫn đến những dự đoán tốt hơn về chuỗi sự kiện phức tạp tăng cường các vành đai bức xạ đến mức có thể vô hiệu hóa các vệ tinh. Mặc dù công trình cho thấy năng lượng cục bộ đến từ các sóng điện từ chảy qua các vành đai, nhưng không biết chính xác những sóng như vậy có thể là nguyên nhân. Trong tập hợp các quan sát được mô tả trong bài báo, Van Allen Probes đã quan sát một loại sóng cụ thể gọi là sóng hợp xướng cùng lúc với các hạt được gia tốc, nhưng phải thực hiện nhiều công việc hơn để xác định nguyên nhân và kết quả.
Bài báo này giúp phân biệt giữa hai giải pháp rộng rãi, ông Sibeck nói. Điều này cho thấy việc tăng tốc có thể xảy ra cục bộ. Bây giờ các nhà khoa học nghiên cứu về sóng và từ trường sẽ nhảy vào để thực hiện công việc của họ và tìm ra loại sóng nào mang lại lực đẩy.
May mắn thay, một nhiệm vụ như vậy cũng sẽ được Van Allen Probes giúp đỡ, cũng được thiết kế cẩn thận để đo lường và phân biệt giữa nhiều loại sóng điện từ.
Khi các nhà khoa học thiết kế sứ mệnh và thiết bị trên tàu thăm dò, họ đã xem xét những ẩn số khoa học và nói: 'Đây là cơ hội tuyệt vời để mở khóa một số kiến thức cơ bản về cách các hạt được gia tốc', ông Nicola J. Fox, phó nhà khoa học dự án cho biết. tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng của Đại học Johns Hopkins ở Laurel, Md.Với năm bộ dụng cụ giống hệt nhau trên tàu vũ trụ sinh đôi - mỗi bộ có phạm vi phát hiện hạt và trường và sóng rộng - chúng tôi có nền tảng tốt nhất từng được tạo ra để hiểu rõ hơn về vùng không gian quan trọng này trên Trái đất.
Thông qua NASA