Дивлячись на фотографії Землі, що висить у темряві космосу, можна подумати, що наша планета ізольована і самотня. Але в ближньому космосі є більше, ніж здається на перший погляд. Наша планета затиснута в поясах Ван Аллена – двох донатоподібних регіонах космосу, заповнених енергійними протонами та електронами, які утримуються магнітним полем планети.

Зовнішній пояс в основному заповнений електронами, енергія яких зростає під впливом Сонця, тоді як багато протонів внутрішнього поясу походять від частинок, які утворюються, коли космічні промені вдаряють в атмосферу Землі.

Протягом більше десяти років вважалося, що цей внутрішній пояс утворює непроникну бар'єру для ультра-релятивістських "вбивць" електронів, заважаючи їм наближатися до Землі. Але нові дані свідчать про те, що за певних умов цей регіон не такий безпечний, як ми думали.

Під час надзвичайно потужної сонячної бурі, яка вразила Землю в травні 2024 року, японський супутник зафіксував електрони в цьому регіоні, які прискорювалися до енергій мегавольт – в місці, де вчені вважали, що це не повинно відбуватися.

"Ми показуємо, що ця бар'єра може бути порушена за екстремальних умов космічної погоди", – пише команда на чолі з фізиком космосу Йошізумі Міьоші з університету Нагоя в статті, опублікованій в Geophysical Research Letters.

Так звані "вбивці" електрони, відомі вже десятиліттями, є великою проблемою в низькокосмічному просторі. Ці частинки можуть бути прискорені до майже швидкості світла через взаємодії з електромагнітними хвилями в магнітному середовищі Землі, особливо під час геомагнітних бур.

Вони несуть таку велику енергію, що можуть проникати через захист супутників, потенційно пошкоджуючи чутливу електроніку та скорочуючи термін служби космічних апаратів. Вони також небезпечні для людей, створюючи підвищений радіаційний ризик для астронавтів.

Але в 2014 році дослідники виявили щось дивне. Спостереження з космічних апаратів NASA Ван Аллена виявили дивно різку межу, приблизно на відстані трьох радіусів Землі від центру планети, за якою найенергійніші електрони рідко виходили.

Вчені описали це як "непроникну бар'єру", пропонуючи, що електромагнітні хвилі в регіоні холодної плазми навколо Землі допомагають розсіювати електрони з їхніх захоплених орбіт, змушуючи їх падати в атмосферу. У поєднанні з повільною міграцією електронів всередину, це, здавалося, створювало природну бар'єру, яка утримувала їх на відстані.

Навіть у 2018 році, однак, почали з'являтися тріщини в так званій "непроникній" бар'єрі. Дослідники запропонували, що бар'єра насправді не є бар'єрою, а ілюзією, створеною обмеженою тривалістю геомагнітних бур.

Енергійні електрони можуть бути витиснуті всередину коливаннями магнітного поля Землі, але бурі, які викликали цей рух, зазвичай вичерпувалися до того, як електрони могли б просунутися набагато далі.

Тоді, в 2024 році, дослідники, які аналізували спостереження, зафіксовані між 1996 і 2006 роками, виявили, що електромагнітні хвилі, згенеровані блискавками, можуть відправляти вбивць електронів, які вже були захоплені в внутрішньому радіаційному поясі, в атмосферу Землі.

Ці спостереження надали додаткові докази того, що електрони мегавольт вже були присутні всередині так званої непроникної межі.

Але потім, у травні 2024 року, сталася сонячна супербуря. Сонце вибухнуло в серії спалахів і корональних викидів, які викинули мільярди тонн магнітної плазми, що мчала через Сонячну систему.

На Землі результатом стала буря рівня G5 – найпотужнішої категорії на шкалі геомагнітних бур, настільки інтенсивної, що її ефекти були зафіксовані навіть на дні океану.

Ця буря різко зменшила холодну плазму в плазмосфері Землі, створивши незвично рідке середовище, в якому могла процвітати інша форма електромагнітної хвилі, званої хором.

"Коли це перетворити на звук, це звучить як пташиний спів", – говорить Міьоші.

І замість того, щоб розсіювати електрони, як це зазвичай роблять інші хвилі, ці хвилі, здається, прискорили їх до неймовірних енергій, прямо всередині "непроникної" бар'єри.

Докази надійшли від японського супутника Arase, який спостерігав за радіаційними поясами з 2017 року. Під час фази відновлення бурі Arase зафіксував різке збільшення ультра-релятивістських електронів всередині бар'єри. На енергіях близько 3 мегавольт потік електронів зріс більш ніж у 5 000 разів у порівнянні з рівнями до бурі.

Час і еволюція цього збільшення були особливо показовими. Спочатку з'явилися електрони з нижчою енергією. Приблизно через півдня пізніше з'явилися електрони з вищою енергією. І приблизно через день після початкового збільшення електрони, що несуть більше 3 мегавольт енергії, також різко зросли в кількості.

Ця поступова прогресія свідчила про те, що електрони не просто були зметені всередину з інших місць. Вони набували енергії прямо там, всередині так званої захищеної області.

Міьоші та його колеги знайшли додаткові підказки в розподілі електронів, які утворили чіткий пік поблизу межі бар'єри. Цей малюнок важко пояснити лише через внутрішній транспорт, але він узгоджується з електронами, які прискорюються локально, перш ніж поширюватися далі всередину та назовні.

Разом узяті, докази свідчать про те, що виснаження холодної плазми створило ідеальні умови для електронів, щоб поводитися так, як це зазвичай спостерігається далі від Землі.

І на відновлення знадобилися місяці. Arase продовжував спостерігати зменшення рівнів ультра-релятивістських електронів до жовтня 2024 року, коли ще одна сонячна буря вразила ближній космос.

Це відкриття натякає на те, що динаміка простору навколо Землі набагато складніша, ніж її очевидна спокійність.

"Це відкриття підкреслює необхідність розуміння та прогнозування того, як енергійні електрони поводяться за екстремальних умов космічної погоди", – говорить Міьоші.

"Такі знання важливі для оцінки радіаційних ризиків для космічних апаратів та покращення прогнозів космічної погоди в майбутньому."

Дослідження було опубліковане в Geophysical Research Letters.