Трое физиков из Массачусетского технологического института и Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) смоделировали ускорение электронов в магнитосфере Земли.

Процесс ускорения частиц, заинтересовавший учёных, разворачивается в вытянутом хвосте магнитосферы, расположенном с ночной стороны планеты. Здесь, в плазме, отмечается так называемое магнитное пересоединение — процесс, связанный с перестройкой топологии магнитного поля. Пересоединению обычно сопутствует взрывное выделение энергии, часть которой передаётся ускоряемым электронам. Заряженные частицы затем попадают в верхние слои атмосферы Земли, инициируя полярные сияния.

Такие высокоэнергетичные электроны неоднократно регистрировались космическими зондами (скажем, аппаратами Cluster), причём количество обнаруженных частиц превосходило все ожидания астрофизиков. Согласно принятой ранее теории, электрическое поле, сонаправленное с магнитным и отвечающее за ускорение электронов при пересоединении, не могло поддерживаться в больших пространственных масштабах в горячей плазме — высокопроводящей среде. Именно это ограничение на действие поля и приводило к тому, что теоретические оценки начинали расходиться с опытными данными.

Схематическое представление земной магнитосферы с протяжённым хвостом (иллюстрация НАСА / Goddard Space Flight Center - Conceptual Image Lab).

Новое, чрезвычайно подробное моделирование пересоединения в магнитосфере Земли авторы выполнили на суперкомпьютере Kraken, установленном в Окриджской национальной лаборатории. Задействовав 25 000 вычислительных ядер, учёные проследили за движением 180 миллиардов виртуальных частиц.

В результате было установлено, что размеры области, в которой электроны могут набирать энергию при пересоединении, сильно недооценивались: её диаметр примерно в тысячу раз превысил ожидания. Если в модели нет никаких ошибок, воспроизвести данные Cluster будет совсем несложно.

Рассказывает руководитель исследования Ян Эгедаль (Jan Egedal):