Einzigartige Physik im Interstellaren Raum: Voyager-Raumschiffe entdecken neue Art von solaren Elektronenausbrüchen.

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Physiker berichten von beschleunigten Elektronen in Verbindung mit kosmischer Strahlung.

Mehr als 40 Jahre nach ihrem Start machen die Voyager-Sonden immer noch Entdeckungen.

In einer neuen Studie berichtet ein Team von Physikern unter der Leitung der Universität von Iowa über den ersten Nachweis von Ausbrüchen von Elektronen der kosmischen Strahlung, die durch Schockwellen beschleunigt wurden, die von großen Eruptionen auf der Sonne stammen. Die Entdeckung wurde von Instrumenten an Bord der Raumfahrzeuge Voyager 1 und Voyager 2 vorgenommen, während die Voyager ihre Reise durch den interstellaren Raum fortsetzten. Damit waren sie das erste Raumfahrzeug, das diese einzigartige Physik im Bereich zwischen den Sternen aufzeichnete.

Diese neu entdeckten Elektronenausbrüche sind wie ein fortgeschrittener Wächter, der entlang der Magnetfeldlinien im interstellaren Medium beschleunigt wird; die Elektronen bewegen sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit, etwa 670 Mal schneller als die Schockwellen, die sie ursprünglich angetrieben haben. Auf die Ausbrüche folgten Plasmawellenschwingungen, die durch Elektronen mit niedrigerer Energie verursacht wurden, die erst Tage später an den Instrumenten der Voyager ankamen – und schließlich, in einigen Fällen, die Schockwelle selbst bis zu einem Monat danach.

Die Schockwellen gingen von koronalen Massenauswürfen, Ausstößen von heißem Gas und Energie aus, die sich mit etwa einer Million Meilen pro Stunde von der Sonne nach außen bewegen. Selbst bei diesen Geschwindigkeiten dauert es mehr als ein Jahr, bis die Schockwellen die Voyager-Raumsonde erreichen, die sich weiter von der Sonne entfernt hat (mehr als 14 Milliarden Meilen, Tendenz steigend) als jedes von Menschenhand geschaffene Objekt.

“Was wir hier sehen, ist ein bestimmter Mechanismus, bei dem die Schockwelle beim ersten Kontakt mit den interstellaren Magnetfeldlinien, die das Raumschiff durchqueren, einen Teil der Elektronen der kosmischen Strahlung reflektiert und beschleunigt”, sagt Don Gurnett, emeritierter Professor für Physik und Astronomie in Iowa und der entsprechende Autor der Studie. “Wir haben durch die Instrumente für die kosmische Strahlung festgestellt, dass es sich dabei um Elektronen handelt, die durch interstellare Stöße reflektiert und beschleunigt wurden, die sich von energiereichen Sonnenereignissen an der Sonne nach außen ausbreiten. Das ist ein neuer Mechanismus.”

Die Entdeckung könnte den Physikern helfen, die Dynamik besser zu verstehen, die den Schockwellen und der kosmischen Strahlung zugrunde liegt, die von Flare-Sternen (die aufgrund der heftigen Aktivität auf ihrer Oberfläche kurzzeitig in ihrer Helligkeit variieren können) und explodierenden Sternen ausgehen. Die Physik solcher Phänomene wäre wichtig zu berücksichtigen, wenn Astronauten beispielsweise auf ausgedehnte Mond- oder Marsexkursionen geschickt würden, bei denen sie Konzentrationen kosmischer Strahlung ausgesetzt wären, die weit über dem liegen, was wir auf der Erde erleben.

Die Physiker glauben, dass diese Elektronen im interstellaren Medium von einem verstärkten Magnetfeld am Rand der Schockwelle reflektiert und anschließend durch die Bewegung der Schockwelle beschleunigt werden. Die reflektierten Elektronen schrauben sich dann spiralförmig entlang der Linien des interstellaren Magnetfeldes und gewinnen an Geschwindigkeit, je größer der Abstand zwischen ihnen und dem Schock wird.

Die Physiker J.R. Jokipii und Jozsef Kota haben 2014 in einem Artikel in der Zeitschrift Astrophysical Letters theoretisch beschrieben, wie die von den Schockwellen reflektierten Ionen entlang der interstellaren Magnetfeldlinien beschleunigt werden können. Die aktuelle Studie befasst sich mit Elektronenausbrüchen, die von der Voyager-Raumsonde detektiert wurden und von denen angenommen wird, dass sie durch einen ähnlichen Prozess beschleunigt werden.

“Die Idee, dass Stoßwellen Teilchen beschleunigen, ist nicht neu”, sagt Gurnett. “Es hat alles damit zu tun, wie es funktioniert, mit dem Mechanismus. Und mit der Tatsache, dass wir sie in einem neuen Bereich, dem interstellaren Medium, entdeckt haben, der sich sehr von dem des Sonnenwindes unterscheidet, wo ähnliche Prozesse beobachtet wurden. Niemand hat es mit einer interstellaren Schockwelle gesehen, in einem ganz neuen, unberührten Medium.

Referenz: “Ein Vorstoßmodell für interstellare Schocks solaren Ursprungs: Beobachtungen von Voyager 1 und 2” von D. A. Gurnett, W. S. Kurth, E. C. Stone, A. C. Cummings, B. Heikkila, N. Lal, S. M. Krimigis, R. B. Decker, N. F. Ness und L. F. Burlaga, 3. Dezember 2020, The Astronomical Journal.
DOI: 10.3847/1538-3881/abc337

Zu den Co-Autoren gehören William Kurth aus Iowa, Edward Stone und Alan Cummings vom California Institute of Technology, Bryant Heikkila, Nand Lal und Leonard Burlaga vom NASA Goddard Space Flight Center, Stamatios Krimigis und Robert Decker vom Labor für angewandte Physik der Johns Hopkins University und Norman Ness von der University of Delaware.

Die NASA finanzierte die Forschung…

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