در فضا، انفجارهای ابرنواختر، سیاه‌چاله‌ها و دیگر رویدادهای کیهانی می‌توانند ذراتی مانند الکترون‌ها را به سرعت‌های بسیار بالا، حتی سرعتی برابر با سرعت نور، تسریع کنند.
این به عنوان سرعت‌های نسبیتی شناخته می‌شود؛ جایی که ذرات چنان سریع حرکت می‌کنند که قوانین معمول فیزیک (مانند حرکت عادی) دیگر به همان صورت عمل نمی‌کنند و ما به قوانین خاصی مانند نسبیت برای درک آن‌ها نیاز داریم.
اعتقاد بر این است که شوک‌های برخورد ناپذیری که در نتیجه انتقال انرژی بین ذرات در رویدادهای کیهانی به وجود می‌آیند، به عنوان شتاب‌دهنده‌های ذرات طبیعی عمل می‌کنند و در واقع مسئول شتاب گیری الکترون‌ها به سرعت‌های نسبیتی هستند. این پدیده به عنوان تسریع شوک انتشار (DSA) شناخته می‌شود.
با این حال، مشکلی وجود دارد. قبل از اینکه الکترون‌ها توسط این شوک‌ها تسریع شوند، نیاز به مقدار معینی انرژی دارند تا شروع کنند. کسی نمی‌داند الکترون‌ها چگونه این انرژی اولیه را کسب می‌کنند. در اصطلاح علمی، این مسئله به عنوان مشکل تزریق الکترون شناخته شده است.
اکنون، مطالعه جدیدی از یک تیم از پژوهشگران بین‌المللی این مشکل را بررسی کرده و چارچوبی ارائه داده است که توضیح می‌دهد چگونه الکترون‌ها در فضای بیرونی تسریع می‌شوند.
یک شوک موجی قوی
پژوهشگران داده‌های همزمان از مأموریت چند مقیاسی مگنوسفر (MMS) ناسا و مأموریت THEMIS/ARTEMIS جمع‌آوری کردند. اولی به درک چگونگی تأثیر و تعامل بادهای خورشیدی با مگنوسفر زمین می‌پردازد.
دومی رفتار پلاسمای میدان‌های مغناطیسی را در فضای اطراف زمین و ماه آشکار می‌کند. هنگامی که تحلیل داده‌ها در حال انجام بود، رویداد یک شوک موجی که در 17 دسامبر 2017 رخ داد، توجه پژوهشگران را به خود جلب کرد.
شوک موجی حالتی است که هنگامی که باد خورشیدی به طور سریع کند می‌شود و در هنگام برخورد با مگنوسفر زمین گرم می‌شود. این به باله شوک نامیده می‌شود زیرا شبیه به موجی است که در پیشانی یک قایق در حال حرکت بر روی آب تشکیل می‌شود.
در طول این رویداد، الکترون‌های در منطقه پیش‌شوک زمین - ناحیه‌ای که باد خورشیدی به‌وسیله تعامل با شوک موجی پیش‌دچار تغییر می‌شود - به سطوح انرژی بی‌سابقه‌ای، بیشتر از 500 کیلو الکترون ولت، رسیدند. این یک نتیجه جالب است زیرا الکترون‌های مشاهده‌شده در منطقه پیش‌شوک معمولاً در انرژی‌های حدود 1 کیلو الکترون ولت یافت می‌شوند، نویسندگان مطالعه ذکر می‌کنند .
این یافته‌ها نشان می‌دهند که الکترون‌های با انرژی بالا از طریق ترکیبی از فرآیندهای مختلف که شامل تعاملات با امواج پلاسمایی، ساختارهای موقتی در منطقه جلوتر از شوک موجی زمین و خود شوک موجی است ایجاد می‌شوند. این فرآیندها به طور مشترک الکترون‌ها را از انرژی‌های پایین (حدود 1 کیلو الکترون ولت) به انرژی‌های بسیار بالا و نسبیتی (تا 500 کیلو الکترون ولت) می‌افزایند.
نه یکی بلکه عوامل زیادی
مطالعه فعلی نشان می‌دهد که شتاب گیری الکترون نتیجه بسیاری از رویدادهای اتکای‌پذیر بر پلاسمای رخ‌داده در مقیاس‌های مختلف است. "بیشتر تحقیقات ما به اثرات مقیاس کوچک، مانند تعاملات موج‌ذره یا ویژگی‌های مقیاس بزرگ، مانند تأثیر باد خورشیدی می‌پردازد،" گفت ساوواس رپتیس، نویسنده اول مطالعه و پژوهشگر پسادکترا در دانشگاه جانز هاپکینز.
اما همانطور که در این کار نشان دادیم، با ترکیب پدیده‌ها در مقیاس‌های مختلف، توانستیم تعامل آن‌ها را که در نهایت به افزایش ذرات در فضا منجر می‌شود، مشاهده کنیم، افزود.
پژوهشگران این مطالعه بیشتر پیشنهاد می‌کنند که چارچوب آن‌ها می‌تواند ابزاری مهم برای درک شتاب‌گیری الکترون نه تنها در منظومه شمسی ما ، بلکه در نواحی بسیاری از سال نوری دورتر از جهان باشد.
این پژوهش در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.
