Ученые из Университета Колорадо в Боулдере обнаружили невидимый щит на высоте 11 500 километров над Землей, который блокирует так называемые «электроны-убийцы», которые, в свою очередь, летят с околосветовой скоростью и имеют печальную славу вредить астронавтам, поджаривать спутники и нарушать работу космических систем во время интенсивных солнечных бурь.

Барьер для движущихся частиц был обнаружен в радиационных поясах Ван Аллена, двух кольцах в форме пончика над Землей, которые наполнены высокоэнергетическими электронами и протонами, говорит профессор Дэниел Бейкер. Удерживаемые на месте магнитным полем Земли, радиационные пояса Ван Аллена периодически набухают и сжимаются, реагируя на поступающую энергию возмущений Солнца.

Как одно из самых первых и значительных открытий космической эры, радиационные пояса Ван Аллена были открыты в 1958 годупрофессором Джеймсом Ван Алленом и его командой в Университете штата Айова. Было обнаружено, что они состоят из внутреннего и внешнего поясов, простирающихся на высоте до 25 000 километров над Землей. В 2013 году Бейкер — который получил докторскую степень под руководством Ван Аллена — возглавил команду, которая использовала два зонда Ван Аллена, запущенных NASA в 2012 году, чтобы найти третье, переходное «накопительное кольцо» между внутренним и внешним поясами Ван Аллена.

Указанное кольцо вращается на «невероятно четкой» границе внутреннего края внешнего пояса на высоте порядка 11 500 километров над Землей и блокирует сверхбыстрые электроны, которые стремятся пробить щит и спуститься глубже в атмосферу Земли.

«Такое чувство, будто эти электроны врезаются в стеклянную стену в космосе, — говорит Бейкер, ведущий автор работы. — Эта стена похожа на силовой щит из «Звездного пути», который использовался для отражения инопланетного оружия. Этот невидимый щит и блокирует электроны. Весьма загадочное явление».

Работа была опубликована 27 ноября 2014 года в журнале Nature.

Изначально команда предполагала, что заряженные электроны, которые вращаются вокруг Земли со скоростью более 180 000 километров в секунду, должны постепенно дрейфовать вниз в верхние слои атмосферы и постепенно уничтожаться в результате взаимодействия с молекулами воздуха. Но непреодолимый барьер, обнаруженный двумя зондами Ван Аллена, не дает электронам заходить так далеко.

Команда ученых рассмотрела ряд сценариев, которые могли бы объяснить, что создало и поддерживает такой барьер. Возможно, он связан с линиями магнитного поля Земли, которое улавливает и удерживает протоны и электроны, вытягивая их между полюсами Земли, как бусины на нитке. Также был рассмотрен вариант того, что радиопередачи с Земли могли бы рассеивать заряженные электроны над барьером, не давая им спуститься ниже. Но ни одно из объяснений не удовлетворило ученых.

«Природа не терпит сильных градиентов и, в общем-то, находит способы сгладить их, поэтому мы полагаем, что некоторые из релятивистских электронов движутся внутрь, а некоторые наружу. Непонятен только медленный и постепенный процесс, который привел к тому, что частицы образовали четкую и определенную границу в этой точке пространства».

Еще один сценарий предполагает, что гигантское облако холодного, заряженного электрически газа, которое называется плазмосферой и начинается в пределах 1000 километров над поверхностью Земли, простираясь на тысячи километров во внешний радиационный пояс Ван Аллена, рассеивает электроны на этой границе с помощью низкочастотных электромагнитных волн, которые вызывают плазмосферное «шипение». Это шипение похоже на белый шум, который доносится из динамиков.

И хотя Бейкер считает, что плазмосферное шипение может играть важную роль в определении загадочного космического барьера, он также полагает, что история может получить развитие.

«Я думаю, что будет важно продолжать тщательно наблюдать за этим регионом, и мы можем осуществить это с помощью мощных инструментов зондов Ван Аллена. Если Солнце действительно бомбардирует земную магнитосферу выбросами корональной массы (CME), я подозреваю, что через некоторое время оно сможет пробить щит».

«Мы просто взглянули на явление по-новому, с новым набором инструментов, который позволил нам сказать: да, есть прочная и жесткая граница», — также отмечает Джон Фостер, соавтор работы. 

Теперь, когда ученые знают, что невидимый щит существует, они пытаются определить, как он был сформирован и как именно работает.