Elektrony rozpędzone do granic możliwości. Sonda Juno odkrywa nowy mechanizm w okolicach Jowisza

Wyobraźmy sobie cząstkę rozpędzoną do prędkości, przy której czas zwalnia, a masa rośnie. W Układzie Słonecznym takie relatywistyczne elektrony, o energiach przekraczających milion elektronowoltów (MeV), pojawiają się tam, gdzie wiatr słoneczny uderza w magnetosferę Jowisza. Dzięki sondzie Juno naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali na żywo proces ich przyspieszania – i odkryli, że może zachodzić dalej od planety niż sądzono. To nie tylko nowy rozdział w fizyce plazmy kosmicznej, ale też klucz do zrozumienia, skąd biorą się najbardziej energetyczne cząstki we wszechświecie.

Zderzenie bez kolizji

→ Czytaj też: Sonda Juno zmierzyła podpowierzchniową temperaturę Io. Dlaczego to zaskakuje naukowców?

Fala uderzeniowa dziobowa Jowisza powstaje, gdy naddźwiękowy wiatr słoneczny – strumień naładowanych cząstek ze Słońca – napotyka przeszkodę w postaci pola magnetycznego gigantycznej planety. To typowa bezzderzeniowa fala uderzeniowa, czyli taka, w której cząstki oddziałują nie przez bezpośrednie zderzenia, lecz poprzez pola elektromagnetyczne. Takie struktury są powszechne w kosmosie – występują wokół gwiazd, w pozostałościach po supernowych i w aktywnych jądrach galaktyk. Uważa się je za główne fabryki promieniowania kosmicznego.

Mechanizm, który za tym stoi, to tzw. dyfuzyjne przyspieszanie na fali uderzeniowej (DSA). Cząstka wielokrotnie przekracza front fali, za każdym razem zyskując energię. Jednak maksymalna energia, jaką może osiągnąć, jest ograniczona przez tzw. kryterium Hillasa: im większy obszar przyspieszania i silniejsze pole magnetyczne, tym wyższa energia. Problem w tym, że dotąd brakowało bezpośrednich obserwacji, które pozwoliłyby zweryfikować to kryterium w rzeczywistych warunkach.

Juno widzi więcej

→ Czytaj też: Fizycy słuchają muzyki wszechświata. Co usłyszą?

Z pomocą przyszła sonda Juno – należąca do NASA misja, która od 2016 roku bada Jowisza. Wykorzystując dane z instrumentów pokładowych, zespół kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Princeton i Laboratorium Fizyki Stosowanej Johns Hopkins odkrył, że elektrony o energiach co najmniej 1 MeV pojawiają się nie tylko w pobliżu fali uderzeniowej, ale także daleko przed nią – w obszarze zwanym foreshock. To strefa, w której część cząstek odbitych od frontu fali płynie pod prąd wiatru słonecznego, tworząc niestabilności i struktury przejściowe.

„To pierwszy bezpośredni dowód na to, że relatywistyczne elektrony mogą być przyspieszane w dużych strukturach przejściowych przed falą uderzeniową Jowisza” – czytamy w artykule opublikowanym w Nature. Co więcej, rozmiar tych struktur okazał się kluczowy. Naukowcy zaproponowali uniwersalne prawo skalowania, które wiąże obserwowalną wielkość takiego przejściowego obszaru z maksymalną energią cząstek. Prawo to działa zarówno dla Jowisza, jak i dla Ziemi, a także – po ekstrapolacji – dla protogwiazdowych dżetów i pozostałości po supernowych.

Od planet do supernowych

Nowe skalowanie pozwala przewidzieć, że w przypadku Ziemi maksymalne energie elektronów przyspieszanych w foreshocku sięgają kilkudziesięciu MeV. Dla Jowisza – setek MeV. Dla protogwiazdowych dżetów – nawet kilkudziesięciu GeV. A dla pozostałości po supernowych – aż do kilkudziesięciu TeV. To właśnie w takich obiektach rodzi się promieniowanie kosmiczne o najwyższych energiach, które dociera do Ziemi z odległych zakątków Galaktyki.

„Nasze wyniki dostarczają empirycznie ugruntowanej metody szacowania maksymalnych energii promieniowania kosmicznego w astrofizycznych falach uderzeniowych” – podkreślają autorzy. Oznacza to, że zamiast polegać wyłącznie na modelach teoretycznych, możemy teraz używać rzeczywistych pomiarów z Układu Słonecznego do prognozowania tego, co dzieje się w odległych mgławicach i galaktykach.

Co dalej?

Odkrycie jest istotne nie tylko dla fizyki kosmicznej. Pokazuje, że nawet dobrze znane obiekty – jak fala uderzeniowa Jowisza – wciąż kryją niespodzianki. Misja Juno, pierwotnie zaplanowana na kilka lat, działa już ponad dekadę i regularnie dostarcza danych, które zmieniają nasze rozumienie procesów przyspieszania cząstek. Kolejne przeloty w pobliżu Jowisza, a także planowane misje do Uranu i Neptuna, mogą dostarczyć jeszcze więcej punktów do uniwersalnego wykresu energii i rozmiarów.

Jeśli prawo skalowania się potwierdzi, astrofizycy zyskają narzędzie do odczytywania z odległości energii promieniowania kosmicznego wprost z rozmiarów świecących struktur. A to z kolei przybliży nas do odpowiedzi na jedno z najstarszych pytań: skąd biorą się najbardziej energetyczne cząstki we wszechświecie.