Студенческий микроспутник поймал в радиационных поясах Земли "неуловимые" электроны

Спутник, созданный руками студентов, помог совершить выдающееся открытие.

Фото University of Colorado.

Когда заряженная частица натыкается на магнитный щит Земли, её траектория искривляется. Незваная гостья оказывается обречённой циркулировать в одном из радиационных поясов Земли на высоте от 500 до 40000 километров.

Источником частиц, попавших в плен этих поясов, в основном является Солнце. Их поставляет как спокойный солнечный ветер, так и выбросы корональной массы, о которых "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали. Именно свойство магнитного поля захватывать вещество таких выбросов помогает Земле не потерять атмосферу, а человечеству – не погибнуть от радиации.

Но есть в радиационных поясах и другие частицы. Например, во внутреннем поясе много протонов с высокой энергией (от десятков до сотен мегаэлектронвольт). Вскоре после того как этот факт был обнаружен шесть десятилетий назад, учёные выдвинули гипотезу об источнике этих протонов.

Предполагалось, что дело в космических лучах. Достигая верхних слоёв атмосферы, они врезаются в нейтральные атомы, и в ядерных реакциях образуются нейтроны.

Свободный (не входящий в состав атомного ядра) нейтрон – нестабильная частица. Его характерное время жизни – около 15 минут. По истечении этого срока он распадается на протон и электрон.

Вот эти-то протоны, по мысли учёных, и попадают во внутренний радиационный пояс. Они "забирают себе" большую часть энергии нейтронов, а на долю образовавшегося электрона остаётся менее одного мегаэлектронвольта. Впрочем, для такой лёгкой частицы, как электрон, и такая энергия довольно велика. Как явствует из названия, энергию в один мегаэлектронвольт электрон приобрёл бы, если бы его ускоряло электрическое поле с разностью потенциалов в миллион вольт. Скорость частицы при этом будет сравнима со скоростью света.

Однако если протоны во внутреннем поясе появляются из-за распада нейтронов, то где-то рядом должны быть и образовавшиеся электроны. Где же они? Вообще-то электронов поблизости много, даже очень. Столько, что все они явно не могут образоваться в описанном процессе – не хватит интенсивности космических лучей. Тем более что последняя должна быть примерно постоянной, а количество электронов во внутреннем поясе, как показывают измерения, сильно варьируется.

Так происходит всё-таки этот распад нейтронов или нет? Может быть, протоны берутся из какого-то другого источника? Ответа не было. В частности, потому что не удавалось обнаружить электроны с теми самыми околосветовыми скоростями, которые должны образовываться в такой реакции.

Так было, пока не начал работу спутник CSSWE. Он был создан на стандартной платформе для микроспутников CubeSat, о которой мы тоже подробно рассказывали. В его создании принимали участие более 65 студентов Колорадского университета в Боулдере. Как это обычно и бывает с "кубсатами", аппарат вышел недорогим. Но это как раз тот случай, когда ценность измеряется не деньгами.

Аппаратура спутника обнаружила те самые быстрые электроны, которые ускользали от учёных 60 лет. Находятся они почти над самой атмосферой, вблизи внутреннего края внутреннего же радиационного пояса. Более того, измерения позволили оценить плотность нейтронов в околоземном пространстве, распад которых порождает эти электроны. Она оказалась равна 2×10-9 частиц на кубический сантиметр. Такой результат хорошо согласуется с теоретическими оценками для процесса рождения нейтронов из взаимодействия космических лучей с атомами воздуха.

"Это действительно прекрасный результат и большой прогресс в понимании, полученный благодаря удивительно недорогому студенческому спутнику", – цитирует пресс-релиз слова одного из авторов исследования Даниэля Бейкера (Daniel N. Baker).

Научная статья с результатами исследования вышла в журнале Nature.

К слову, мы недавно писали о другом открытии, связанном с космическими лучами в околоземном пространстве. Речь идёт об избытке позитронов, который не удалось объяснить деятельностью нейтронных звёзд. В итоге первым кандидатом на роль их источника стала загадочная тёмная материя.