شناسایی الکترون های سریع در بیرون میدان مغناطیسی زمین

ناسا در قسمتی از فضا و در بیرون از میدان مغناطیسی زمین، الکترون‌هایی کشف کرده است که با سرعتی تقریبا  برابر با سرعت نور حرکت می‌کنند و هیچ کس نمی‌تواند دلیل این پدیده را توضیح دهد.

در حقیقت ، طبق دانسته‌های فعلی ما در مورد فیزیک ذرات، حرکت با چنین سرعتی و در چنین فاصله‌ای از میدان مغناطیسی غیرممکن است. اکنون فیزیکدانان در تلاش هستند منبع نیرویی که چنین سرعتی به الکترون‌ها داده است کشف کنند. یکی از محققان ناسا، دیوید سیبک (David Sibeck) در این مورد می‌گوید:

این موضوع گیج‌کننده است، چون ما شاهد ذرات با انرژی هستیم که قاعدتا نباید در این مکان وجود داشته باشند. هیچ مدلی نمی‌تواند این پدیده را توضیح دهد. حفره‌ای خالی در میان دانسته‌های ما وجود دارد. ما در واقع از نکته‌ی مهمی بی‌خبریم.

این الکترون‌های پرسرعت در طی مأموریت تمیس (THEMIS) کشف شده‌اند. این مأموریت ناسا شامل ۵ ماهواره‌ است که با هدف مطالعه‌ی نقش محافظتی میدان مغناطیسی زمین در مقابل بادهای خورشیدی و پرتوهای کیهانی، به دور زمین در حال گردش هستند.

هدف اولیه‌ی مأموریت، کمک به دانشمندان برای درک این موضوع است که چه عاملی سبب تشکیل توفان‌های مغناطیسی می‌شود؛ توفان‌هایی که می‌توانند سیستم‌های ارتباطی زمین را از کار بیاندازند. اما زمانی که ماهواره‌ها به منطقه‌ی مرزی فورشاک (foreshock) در خارج از میدان مغناطیسی زمین رسیدند، سؤال‌های دیگری پیش آمدند.   

خورشید به صورت مستمر، الکترون‌های پرانرژی به سوی زمین پرتاب می‌کند؛ اما قبل از این که این ذرات تهدیدی متوجه ما کنند، توسط میدان مغناطیسی بسیار قوی زمین منحرف می‌شوند.

زمانی که الکترون‌ها به زمین نزدیک می‌شوند، به بیرونی‌ترین لایه‌ی مگنتوسفر به نام باوشاک (bow shock) برخورد می‌کنند و از سرعتشان کاسته می‌شود و در نتیجه‌ی این برخورد، اکثر آن‌ها از مسیر خود منحرف‌ و از زمین دور می‌شوند. اما در این میان بعضی از آن‌ها دوباره به سمت خورشید منعکس می‌شوند و باندی از الکترون‌های پرانرژی و بسیار سریع در بیرون از میدان مغناطیسی زمین ایجاد می‌شود. این باند با نام ناحیه‌ی مرزی فورشاک شناخته می‌شود.

برای دهه‌ها تصور می‌شد این الکترون‌ها سرعت و انرژی خود را از رفت‌ و آمد در باوشاک به دست می‌آورند. فیزیکدانان گمان می‌کردند هر بار که این الکترون‌ها با سپر مغناطیسی زمین برخورد می‌کنند، انرژی بیشتری می گیرند و سرعت آن‌ها تا نزدیکی سرعت نور می‌رسد.

اما با شواهدی که ماهواره‌های THEMIS ثبت کرده‌اند، مشخص شده است الکترون‌ها از فعالیت‌های مغناطیسی در خود ناحیه‌ی فورشاک نیز می‌توانند انرژی بگیرند و اکنون هیچ‌کس قادر نیست نحوه‌ی وقوع این پدیده را توضیح دهد. در واقع به نظر می‌رسد این الکترون‌ها هیچ‌گاه به ناحیه‌ی باوشاک نمی‌رسند. ناسا دراین‌باره اعلام کرده است که:

برخلاف تصور قبلی، انرژی الکترون‌ها از ناحیه‌ی باوشاک سرچشمه نمی‌گیرد. اگر الکترون‌ها شتاب خود را از باوشاک می‌گرفتند باید در مسیر و مکان مشخصی حرکت می‌کردند؛ یعنی در امتداد میدان مغناطیسی و در جهت دور شدن از باوشاک.

اما دانشمندان در طی پژوهش‌های خود دریافتند این الکترون‌ها در همه‌ی جهات حرکت می‌کنند، نه صرفا در امتداد خطوط میدان مغناطیسی؛ همچنین ناحیه‌ی باوشاک تنها توجیه‌کننده ۱۰ درصد انرژی موجود در این الکترون‌ها است. از این رو، محققان به این نتیجه رسیده‌اند که سرچشمه‌ی چنین انرژی عظیمی، خود ناحیه‌ی مرزی فورشاک است.

گزارش ناسا در این مورد، این‌گونه توضیح می‌دهد:

این کشفیات می‌تواند تمام نظریات مطرح‌شده در مورد منشأ شتاب‌گیری الکترون‌ها را، نه فقط در اطراف زمین، بلکه در کل کیهان دستخوش تغییر کند.

این تیم مطالعاتی در نظر دارد با جمع‌آوری داده‌های بیشتر از ماهواره‌های THEMIS، به ماهیت این رویداد و چگونگی شتاب‌گیری الکترون‌ها و سرعت سرسام‌آور آن‌ها پی ببرد. اما یکی از محققان به نام لین ویلسون (Lynn Wilson) بر این عقیده است که برای یافتن پاسخی پیرامون پرسش‌های خودمان بهتر است در ابعاد کوچک‌تری به قضیه نگاه کنیم. وی باور دارد که:

به نظر می‌رسد ذرات بسیار کوچکی عامل این رویداد هستند؛ چون اجسام در ابعاد بزرگ نمی‌توانند وجود این الکترون‌ها را توضیح دهند.