Teilchenphysik: Rätselraten um schnelle Elektronen in der Magnetosphäre der Erde
Am 15. Februar 2008 durchliefen drei THEMIS-Sonden einen heftigen Sturm in der Magnetosphäre der Erde und erlaubten den Forschern, die Veränderung der Teilchenenergie über eine große Distanz zu messen. Die Ergebnisse zeigen, dass die beschleunigten Elektronen Energie gewinnen, indem sie weit entfernt vom Sturm sich zeitlich verändernde Magnetfelder durchqueren.
Zeitlich ändernde Magnetfelder speisen die Elektronen mit Energie
Sekundäre magnetische Stürme entstehen an einem Ort gegenüber der Sonne auf der Nachtseite der Erde. An diesem Punkt im interplanetaren Raum werden die Energie und die Teilchen des Sonnenwinds über die Zeit hinweg gespeichert. Die geordneten Magnetfeldlinien des erdnahen Weltraums verzerren sich dort in langen Linien, werden manchmal ganz auseinander gerissen und verbinden sich wieder. Wenn sich die Magnetfelder wieder vereinigen, wird die gespeicherte Energie in Explosionen freigesetzt und Teilchen in alle Richtungen ausgesandt. Der genaue Mechanismus, wie die Teilchen während dieses Prozesses beschleunigt werden, blieb lange Zeit ungewiss.
Die von THEMIS gelieferten Daten analysierte ein Team mit Wissenschaftlern der Nanchang University in China, des Goddard Space Flight Center der NASA und der University of Maryland in Baltimore. Die Forscher nutzten Computermodelle, um die komplexe Dynamik des Weltraums zu simulieren, und erkannten, dass die Elektronen beim Wiedervereinigungspunkt der Magnetfeldlinien nicht viel Energie gewinnen. In Erdnähe aber, wo sich die THEMIS-Satelliten befinden, hatte ihre Teilchenenergie um das Zehnfache zugenommen, genau wie von THEMIS in Realität beobachtet.
Die Elektronen erfahren also einen geringen Energiezuwachs durch die Vereinigung der Magnetfelder, fliegen dann Richtung Erde und kreuzen auf ihrem Weg viele sich zeitlich verändernde Magnetfeldlinien. Der erhebliche Energiegewinn wird von den sich ändernden Magnetfeldern verursacht, die das Elektron auf eine spiralförmige Bahn beschleunigen; ein Prozess bekannt als Betatron-Effekt.
Rahel Heule
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