Раскрыт секрет рождения частиц, вызывающих полярные сияния

Потоки электронов в радиационных поясах Земли возникают в результате взаимодействий космических лучей с атомами в верхних слоях атмосферы планеты, "выбивающими" из них нейтроны. 

"Нам впервые удалось зафиксировать рождение этих электронов высокой энергии у внутренней кромки поясов Ван Аллена. Нам удалось решить загадку, над которой физики ломали головы практически шесть десятков лет", — заявил Синьлинь Ли (Xinlin Li) из университета Колорадо в Боулдере (США).

Земля, в отличие от Венеры и ряда других планет Солнечной системы, обладает своим собственным магнитным полем, который вырабатывается в результате движения жидких потоков металла в ее ядре. Это магнитное поле играет роль своеобразного "щита", который отражает космические лучи, заряженные частицы высоких энергий, и защищает Землю от солнечного ветра и выбросов корональной массы на Солнце.

Следами его существования являются так называемые пояса ван Аллена — две области на высотах около 6 тысяч и 60  тысяч километров от поверхности Земли, где находятся большое количество протонов и электронов высоких энергий, "пойманных" магнитным полем Земли и движущихся в своеобразной магнитной ловушке. Их взаимодействие с атмосферой порождает красивые полярные сияния, и, во времена вспышек на Солнце, приводит к появлению радиопомех и прочих проблем технического характера.

Одной из главных загадок поясов Ван Аллена с момента их открытия в 1958 году является то, откуда берутся электроны и протоны высоких энергий, населяющие радиационный щит земли и порождающие вспышки на полюсах планеты. Как отмечает Ли, ученые давно подозревают, что их источником являются космические лучи, сталкивающиеся с атомами в атмосфере, однако однозначных доказательств этого у них не было.

Дополнительная проблема заключается в том, что космические лучи, порожденные взрывами сверхновых и активностью пульсаров, "бомбардируют" Землю примерно с одинаковой частотой, тогда как количество и свойства электронов в поясах Ван Аллена может резко меняться с очень большой скоростью. Это заставляет многих исследователей сомневаться в том, что эти электроны возникают в результате распадов нейтронов, которые космические лучи "выбивают" из атомов азота и кислорода.

Для проверки этих идей Ли и его студенты собрали микроспутник CSSWE, оснащенный миниатюрными аналогами детекторов электронов и протонов, которые были разработаны в стенах университета Колорадо для зондов RBSP, запущенных НАСА в августе 2012 года для изучения структуры поясов Ван Аллена.

Этот спутник был запущен на более низкую орбиту, и он изучал не внутренние слои поясов Ван Аллена, а нижнюю кромку его первой части, где, как предположили ученые, должны рождаться электроны и протоны во время столкновений молекул газов и "гостей из космоса".

Подобные столкновения, как объясняют ученые, должны приводить к рождению протонов и электронов в очень узких диапазонах энергий, благодаря чему их можно легко подсчитать и оценить, как часто сталкиваются космические лучи с атмосферными атомами, и понять, какую роль они играют в наполнении поясов Ван Аллена и как они туда попадают.

Как показали эти замеры, подобные электроны действительно возникают в больших количествах на высоте, примерно равной радиусу Земли, а скорость их формирования и их свойства оставались постоянными во всех регионах и на всех высотах. Это говорит в пользу того, что их действительно порождают космические лучи.

Более того, об этом говорит и число электронов, зафиксированных CSSWE – их количество, как отмечают ученые, почти идеально соответствует тому, как много нейтронов должны порождать космические лучи. Все это, соответственно, свидетельствует о том, что почти все электроны, участвующие в рождении полярных сияний, носят действительно "космическое" происхождение.