Наша Земля - естественный коллайдер?

Европейские исследователи, работающие с группой спутников Cluster, пришли к выводу, что Земля, подобно адронному коллайдеру, способна придавать ускорение частицам. Происходит это благодаря тому, что в процессе ее движения создается фронт ударной волны, разгоняющий частицы до огромных скоростей. Недавно ученым удалось измерить его параметры.

По словам авторов исследования, во Вселенной идет немало естественных процессов, способствующих ускорению частиц. Так, мощные магнитные поля способны разгонять частицы космического излучения почти до скорости света. Практически то же самое происходит и в Большом адронном коллайдере, но там ускорение нарастает постепенно, шаг за шагом.

На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители производят инжекцию протонов и ионов свинца, затем частицы попадают в PS-бустер и далее проходят в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 гигаэлектронвольт, при которой их скорость уже близка к световой. После чего переходят в SPS (протонный суперсинхротрон), где их энергия достигает 450 гигаэлектронвольт. Наконец, сгусток протонов направляется в главное 26,7-километровое кольцо коллайдера, доводя энергию протонов до максимальных 7 тераэлектронвольт. Кинетическая энергия, которой обладают все сгустки адронов, содержащиеся в БАКе, при условии полного его заполнения, сравнима с энергией реактивного самолета.

Скорее всего, в космосе частицы тоже последовательно ускоряются, но естественным путем. Первоначальный толчок им придают ударные волны, которые тоже представляют собой достаточно распространенное явление. Они могут возникать везде, где быстро движущаяся среда сталкивается с каким-либо препятствием или другой средой. Это может происходить не только с планетами, но и другими космическими объектами - такими, как взрывающиеся звезды, черные дыры и даже целые галактики. Получив первоначальный импульс от ударной волны, частицы затем уже под воздействием различных магнитных полей постепенно разгоняются до колоссальных скоростей, близких к скорости света.

Наша планета в своем движении проходит сквозь потоки заряженных частиц солнечного ветра, воздействием своего глобального магнитного поля создавая ударную волну. 9 января 2005 года четверка спутников Cluster прошла сквозь фронт этой волны, успев за какую-то четверть секунды собрать данные о ней. В частности, выяснилось, что толщина волны составляет около 17 километров, а температура электронов резко возрастает, создавая оптимальные условия для ускорения заряженных частиц. Ранее было подсчитано, что наибольшая толщина фронта ударной волны составляет 100 километров. Однако, чем он тоньше, тем более эффективный изначальный импульс получают заряженные частицы.

В то же время "стенки" у естественного "адронного коллайдера" по имени Земля оказались проницаемыми. Недавно сотрудники Центра космических полетов Годдарда (США) обнаружили на большой высоте над поверхностью нашей планеты следы так называемых шумановских резонансов.

Явление резонансного усиления электромагнитных атмосферных шумов было теоретически предсказано в 1952 году немецким физиком Винфридом Отто Шуманом. Выяснив, что Земля и ее ионосфера, от нижней границы которой отражаются электромагнитные волны, образуют объемный резонатор, Шуман рассчитал его частотный спектр, а также предположил, что основным источником резонансных импульсов являются вертикальные разряды молний.

В начале 60-х годов исследователями на основании вычислений Шумана были зарегистрированы резонансы по характерным максимумам в энергетических спектрах атмосферных шумов. Особенно четко при этом выделялись пики на частотах около 8, 14, 20, 26 и 32 герц. Впоследствии выяснилось, что на характеристики шумановских резонансов влияют такие факторы, как время суток, сезон, уровень солнечной активности и другие.

Если ранее подобные наблюдения осуществлялись только с Земли, то исследователи из центра Годдарда производили замеры в космическом пространстве, на высоте в 400-850 километров, посредством спутника C/NOFS. Обработка данных по сверхнизким частотам, полученным при помощи спутника, позволила обнаружить четкие "отпечатки" шумановских резонансов. Это свидетельствует о том, что граница ионосферы является проницаемой.

По мнению американских ученых, космическая "слежка" за резонансами может послужить для разработки оригинальной методики дистанционного сбора данных об электрических явлениях в земной атмосфере, а также атмосфере других планет.

Ирина Шлионская