Vauhtia hiukkasille kosmisilla kiihdyttimillä

Kaikki hiukkaskiihdyttimet tarvitsevat jonkin tavan siihen, että ne voivat kiihdyttää alkeishiukkasia suuriin nopeuksiin. Esimerkiksi Eurooppalaisen hiukkastutkimuskeskuksen CERNin suuri Large Hadron Collider (LHC) -kiihdytin käyttää useita pieniä kiihdyttimiä antaakseen hiukkaille alkupotkua ennen kuin ne singotaan keräämään lisää vauhtia pääkiihdyttimeen - suureen renkaaseen, jonka halkaisija on 27 kilometriä.

Avaruudessa laajat magneettikentät ohjaavat kosmisina säteinä tunnettuja hiukkasia, jotka kiitävät lähes valonnopeudella. Kooltaan suuret, mutta vaikutukseltaan heikot magneettikentät ovat kuitenkin kehnoja saamaan hiukkaset aluksi liikkeelle.

Nyt ESAn Cluster-satelliitit ovat osoittaneet, että hiukkaskiihdyttimien tapainen, usean 'vaiheen' prosessi tapahtuu myös avaruuden luonnollisissa hiukkaskiihdyttimissä.

Kun 9. tammikuuta 2005 kaikki neljä Cluster-satelliittia kulkivat läpi magneettisen shokkiaallon kaukana maanpinnan yläpuolella, olivat ne lähes täydellisessä keskinäisessä asennossa magneettikentän tarkan mittaamisen suhteen. Niinpä ne pystyivät selvittämään hyvin tarkasti sen mitä elektroneille tapahtui hyvin lyhyessä, jopa 250 millisekunnin aikaskaalassa.

Mittaukset osoittivat, että elektronien lämpötila nousi nopeasti, mikä muodosti sopivat olosuhteet suuremman mittakaavan kiihdytykselle.

On pitkään epäilty, että shokkiaallot voisivat käyttäytyä näin, mutta shokkikerrosten koko ja ilmiön yksityiskohdat ovat osoittautuneet aiemmin hankaliksi selvittää.

Steven J. Schwartz Lontoon Imperial Collegesta kollegoineen pystyi arvioimaan shokkikerroksen paksuuden Clusterin mittaustatiedoista. Tämä on tärkeää, koska mitä ohuempi shokkirintama on, sitä helpommin se pystyy kiihdyttämään hiukkasia.

"Havaintojen perusteella huomasimme, että shokkikerros on äärimmäisen ohut - niin kapea kuin sen on mahdollista olla", kertoo Schwartz.

Tässä tapauksessa 'ohut' tarkoittaa noin 17 kilometrin paksuutta. Aiemmissa arvioissa pystyttiin määrittämään shokkikerrosten paksuus Maan läheisyydessä korkeintaan 100 kilometriin.

Kyseessä on ensimmäinen kerta, kun on saatu selville näin pieniä yksityiskohtia alkuperäisestä kiihdyttävästä alueesta.

Ilmiön ymmärtäminen on tärkeää, koska shokkirintamia esiintyy kaikkialla maailmankaikkeudessa. Niitä syntyy aina, kun nopeasti liikkuva aine kohtaa esteen tai toisen ainevirran.

Esimerkiksi yliäänennopeudella lentävä lentokone törmää jatkuvasti edessään olevaan ilmaan nopeammin kuin ilma ehtii pois sen tieltä ja kasaa ilmaa eteensä shokkirintamaksi, joka voidaan kuulla yliäänipamauksena.

Aurinkokunnassa Aurinko lähettää nopeasti liikkuvaa sähköisesti varattua hiukkastuulta. Kun se kohtaa Maan magneettikentän, muodostuu pysyvä shokkiaalto planeettamme eteen.

Cluster on ollut merkittävässä roolissa ilmiön tutkimuksessa ja näitä uusia paikallisesta ympäristöstämme saatuja tietoja voidaan soveltaa myös suureen mittakaavaan sekä kauemmaksi maailmankaikkeuteen. Shokkiaaltoja löytyy myös räjähtävien tähtien ympäriltä, nuorten tähtien läheltä, mustista aukoista ja kokonaisista galakseista. Avaruustutkijat olettavat, että sellaiset voivat olla lähteinä suurienergisille kosmisille säteille, jotka täyttävät maailmankaikkeuden.

Cluster on osoittanut, että hyvin ohuet shokkiaallot saattavat olla olennaisia kiihdytysprosessien saattamisessa alkuun näissä paikoissa. Kyseessä ei välttämättä ole ainoa tapa ilmiön syntymiselle, mutta se on varmasti yksi tavoista, joilla se voi syntyä.