VAN-ALLEN-GÜRTEL
Riesiger Teilchenbeschleuniger am Himmel
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
astronews.com
15. September 2020

Um unseren Heimatplaneten gibt es mit den Van-Allen-Strahlungsgürteln zwei Bereiche, die wegen ihrer hochenergetischen Teilchenstrahlung von bemannten Raumfahrtmissionen besser gemieden werden sollten. Messungen von Sonden lieferten nun neue Erkenntnisse über diese Region und enttarnten die Gürtel als gewaltige Teilchenbeschleuniger.

Wissenschaftliche Satelliten durchqueren die anspruchsvolle Region des erdnahen Weltraums, die als Van-Allen-Strahlungsgürtel bezeichnet wird. Bild: Yuri Shprits / Hintergrund: NASA [Großansicht]

Das Magnetfeld der Erde fängt hochenergetische Teilchen ein. Als die ersten Satelliten ins All geschossen wurden, entdeckten Forschende unter der Leitung von James Van Allen die Regionen mit hochenergetischer Teilchenstrahlung, die später nach ihrem Entdecker Van-Allen-Strahlungsgürtel benannt wurden. Visualisiert sehen diese wie zwei gigantische Donuts aus, die unseren Planeten umschließen.

Nun zeigt eine neue Studie unter der Leitung von Forschenden des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ, dass Elektronen in den Strahlungsgürteln lokal auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden können. Die von Hayley Allison, Postdoc-Stipendiatin am GFZ Potsdam, und Yuri Shprits, Sektionsleiter am GFZ und Professor an der Universität Potsdam, durchgeführte Studie zeigt, dass die Magnetosphäre wie ein sehr effizienter Teilchenbeschleuniger funktioniert, der Elektronen auf sogenannte ultra-relativistische Energien beschleunigt.

Um den Ursprung der Van-Allen-Gürtel besser zu verstehen, startete die NASA 2012 die Zwillingsmission der Van-Allen-Sonden, um diese harsche Umgebung zu durchqueren und detaillierte Messungen in dieser gefährlichen Region durchzuführen. Die Messungen umfassten eine ganze Reihe von Partikeln, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und in verschiedene Richtungen bewegen, sowie Plasmawellen.

Plasmawellen ähneln den Wellen, die wir auf der Wasseroberfläche sehen, sind aber für das bloße Auge unsichtbar. Sie können mit Wellen im elektrischen und magnetischen Feld verglichen werden. Neuere Beobachtungen haben gezeigt, dass die Energie der Elektronen in den Strahlungsgürteln bis zu sogenannten ultra-relativistischen Energien gehen kann. Diese Elektronen mit Temperaturen etwa 40 Milliarden Grad Celsius bewegen sich so schnell, dass ihre Bewegungsenergie viel höher ist als ihre Ruheenergie, die durch Einsteins berühmte Formel E=mc² gegeben ist. Sie sind so schnell, dass sich der Zeitfluss für diese Teilchen deutlich verlangsamt.

Die Wissenschaftler waren überrascht, diese ultra-relativistischen Elektronen zu finden, und nahmen an, dass so hohe Energien nur durch eine Kombination von zwei Prozessen erreicht werden können: der Transport von Teilchen herein aus den äußeren Bereichen der Magnetosphäre, der sie beschleunigt, sowie eine lokale Beschleunigung der Teilchen durch Plasmawellen.

Die neue Studie zeigt jedoch, dass Elektronen solche unglaublichen Energien lokal, im Herzen der Van-Allen-Gürtel, erreichen, indem sie all diese Energie den Plasmawellen entziehen. Dieser Prozess erweist sich als äußerst effizient. Die unerwartete Entdeckung, wie die Beschleunigung von Teilchen auf ultrarelativistische Energien im erdnahen Raum funktioniert, könnte den Wissenschaftlern helfen, die grundlegenden Prozesse der Beschleunigung von Partikeln auf der Sonne, in der Nähe von äußeren Planeten und sogar in den fernen Winkeln des Universums, die von Raumsonden nicht erreicht werden können, zu verstehen.

Die Ergebnisse sind in einem Fachartikel beschrieben, der in der Zeitschrift Nature Communications erschienen ist.