Kur dingsta palaidos elektronų dalelės kosmose? Paslaptinga Saulės vėjo „uodega“ paaiškinta

Saulės sistemą nuolat skalauja nematoma elektringų dalelių srovė, vadinama Saulės vėju, tačiau pastaraisiais metais zondų duomenys parodė keistą neatitikimą: dalies elektronų tiesiog „pritrūksta“. Tai paskatino naujus tyrimus, kurie bando atsakyti, kur iš tiesų dingsta ši medžiaga ir kaip tai susiję su Žemės kosmine aplinka.

Nors Saulės vėjas tyrinėjamas jau kelis dešimtmečius, elektronų balansas jame iki šiol buvo gana prastai suprantamas. Šviežia kosminių misijų statistika rodo, kad elektronų pasklidimas yra gerokai chaotiškesnis, nei manyta, o tai turi įtakos ir palydovų saugumui, ir ryšių patikimumui.

Kas yra Saulės vėjo elektronai?

Saulės vėjas yra nuolat iš mūsų žvaigždės išskrendantis įelektrintų dalelių srautas, sudarytas daugiausia iš protonų, elektronų ir šiek tiek sunkesnių jonų. Protonai yra palyginti lėti ir sunkūs, o elektronai itin lengvi ir lakūs, todėl jie jautriai reaguoja į kiekvieną magnetinį nelygumą kelyje.

Šios dalelės startuoja iš karšto Saulės vainiko, kur temperatūros siekia milijonus laipsnių, ir dideliu greičiu skrieja į išorines Saulės sistemos sritis. Klasikiniai modeliai prognozuodavo gana tvarkingą šių elektronų pasiskirstymą, tačiau realūs matavimai vis iš naujo rodo netikėtus šuolius ir trūkius.

Kaip zondai „pamato“ dingstančius elektronus?

Elektronų kiekį ir energiją Saulės vėjyje matuoja kelios kosminės misijos, tarp jų ir netoli Žemės skriejantys zondai bei arčiau Saulės siunčiami aparatai. Jie fiksuoja, kokia dalelių koncentracija ir greitis yra skirtinguose atstumuose, tuomet duomenys lyginami su teoriniais skaičiavimais.

Analizė rodo, kad elektronų skaičius toli gražu ne visada atitinka protonų skaičių, kaip būtų tikimasi iš paprasto elektrinio neutralumo sąlygos. Kai kuriose Saulės vėjo srovėse elektronų matuojama gerokai mažiau, tarsi dalis jų būtų pasukusi kitu keliu arba pradingusi.

Magnetinės „greitkelio“ keistenybės

Saulės vėjo dalelės juda ne tiesiai, o gijas primenančiais magnetiniais laukais, kurie tęsiasi nuo Saulės ir vingiuoja per visą Saulės sistemą. Šiuos laukus formuoja pati Saulė, vis sukdamasi aplink savo ašį ir skleidžianti magnetines „spirales“ į kosmosą.

Elektronai, būdami lengvesni už protonus, itin stipriai pririšti prie magnetinių linijų ir juda jomis tarsi geležinkelio bėgiais. Bet kai magnetinis laukas suplyšta, susipina ar susijungia iš naujo, dalis „bėgių“ tiesiog dingsta, o kartu prapuola ir jų laikytos dalelės.

Magnetinis persijungimas ir dalelių „nutekėjimas“

Vienas karščiausių kandidatų paaiškinti dingstančius elektronus yra vadinamasis magnetinis persijungimas. Tai procesas, kai susitinka priešingomis kryptimis nukreiptos magnetinės linijos ir staiga persitvarko, išlaisvindamos daug energijos ir pakeisdamos dalelių trajektorijas.

Tokių įvykių pėdsakai jau seniai stebimi prie Žemės magnetosferos, kai jie sukelia pašvaistes ir trukdo radijo ryšį. Panašūs procesai gali vykti ir pačiame Saulės vėjyje, tik kur kas didesniu mastu, išsklaidydami elektronus į naujas kryptis ir dalį jų nukreipdami tolyn nuo Žemės orbitos.

Mažos bangos, didelis poveikis

Kitas svarbus veiksnys yra plazmos bangos, sklindančios Saulės vėjyje. Tai radijo dažnius primenančios svyravimo formos, kurias sudaro šokinėjančios elektrinės ir magnetinės jėgos pačioje dalelių srovėje.

Elektronai gali būti „pagauti“ šių bangų ir tarsi su banglente užkelti į visai kitus energijos ir krypties lygius. Taip jie išsibarsto plačiu kūgiu aplink magnetines linijas, o tam tikrose vietose zondai fiksuoja jų stoką, nors bendras dalelių kiekis kosmėje erdvėje išlieka panašus.

Kodėl tai svarbu Žemei ir technologijoms?

Iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti, kad keli trūkstami elektronai begalinėje kosmoso erdvėje neturi jokios reikšmės, bet iš tiesų jų elgsena tiesiogiai veikia erdvinės aplinkos prognozes. Kuo tiksliau suprantamas elektronų pasiskirstymas, tuo geriau galima įvertinti, kada stiprės radiacinės juostos aplink Žemę ir kiek rizikuoja palydovai.

Neteisingi modeliai gali arba pervertinti pavojų, arba atvirkščiai, nepastebėti artėjančio dalelių audros piko. Tai ypač aktualu navigacijos ir ryšio sistemoms, kurios jautrios staigiems energingų dalelių pliūpsniams ir susijusiems trikdžiams Žemės jonosferoje.

Pasekmės būsimoms misijoms ir energijai kosmose

Geriau suprastas elektronų „dingimo“ mechanizmas reikalingas ir planuojant keliones toliau nuo Žemės, į Mėnulį ar Marsą. Tokioms misijoms būtina patikimai įvertinti, kokio dalelių srauto gali tikėtis astronautai ir kiek apsaugos reikės erdvėlaiviams bei būstams.

Be to, kai kurios vizijos, kaip žvaigždžių vėją paversti energijos šaltiniu, taip pat priklauso nuo tikslių dalelių srauto skaičių. Jei elektronai elgiasi ne taip, kaip tikimasi iš paprastų skaičiavimų, tokios technologijos turės būti koreguojamos atsižvelgiant į naujus duomenis.

Ką toliau bandys išsiaiškinti tyrėjai?

Artimiausiais metais pagrindiniai atsakymai turėtų ateiti iš ypač arti Saulės dirbančių zondų, kurie fiksuoja elektronų pasiskirstymą dar prieš dalelių srautui pasiekiant Žemės orbitą. Palyginus duomenis iš kelių atstumų, galima atsekti, kur tiksliai prasideda ir kaip vystosi dalelių išsibarstymas.

Taip pat planuojama tikslinti skaitinius modelius, kurie imituoja magnetinių laukų griūtis ir plazmos bangų plitimą. Kuo glaudžiau šie modeliai sutaps su realiais matavimais, tuo patikimesnius kosminės aplinkos „orų“ prognozių žemėlapius turėsime ateityje.