Para ilmuwan tahu sesuatu mempercepat partikel di sabuk hingga 99 persen kecepatan cahaya. Hasil baru menunjukkan energi percepatan berasal dari dalam sabuk itu sendiri.
Para ilmuwan telah menemukan akselerator partikel masif di jantung salah satu wilayah paling keras di dekat Bumi, sebuah wilayah partikel bermuatan super-energetik di sekitar dunia yang disebut sabuk radiasi Van Allen. Para ilmuwan tahu bahwa sesuatu di luar angkasa mempercepat partikel di sabuk radiasi hingga lebih dari 99 persen kecepatan cahaya tetapi mereka tidak tahu apa itu sesuatu itu. Hasil baru dari Van Allen Probes NASA sekarang menunjukkan bahwa energi percepatan berasal dari dalam sabuk itu sendiri. Partikel di dalam ikat pinggang dipercepat oleh tendangan energi lokal, menghantam partikel dengan kecepatan yang semakin cepat, mirip seperti dorongan dengan waktu yang tepat pada ayunan yang bergerak.
Penemuan bahwa partikel dipercepat oleh sumber energi lokal sama dengan penemuan bahwa badai tumbuh dari sumber energi lokal, seperti wilayah air laut yang hangat. Dalam kasus sabuk radiasi, sumbernya adalah wilayah gelombang elektromagnetik yang kuat, mengetuk energi dari partikel lain yang terletak di wilayah yang sama. Mengetahui lokasi akselerasi akan membantu para ilmuwan meningkatkan prediksi cuaca ruang angkasa, karena perubahan pada sabuk radiasi dapat berisiko bagi satelit di dekat Bumi. Hasilnya dipublikasikan di majalah Science pada 25 Juli 2013.
Pengamatan terbaru oleh kembaran NASA Van Allen Probe menunjukkan bahwa partikel di sabuk radiasi di sekitar Bumi dipercepat oleh tendangan energi lokal, membantu menjelaskan bagaimana partikel-partikel ini mencapai kecepatan 99 persen kecepatan cahaya. Kredit Gambar: G. Reeves / M. Henderson
Agar para ilmuwan dapat memahami sabuk dengan lebih baik, Probe Van Allen dirancang untuk terbang langsung melalui area ruang yang intens ini. Ketika misi diluncurkan pada Agustus 2012, ia memiliki tujuan tingkat atas untuk memahami bagaimana partikel di sabuk dipercepat menjadi energi ultra-tinggi, dan bagaimana partikel kadang-kadang dapat melarikan diri. Dengan menentukan bahwa akselerasi super cepat ini berasal dari tendangan energi lokal ini, sebagai lawan dari proses yang lebih global, para ilmuwan telah mampu menjawab secara definitif salah satu pertanyaan penting untuk pertama kalinya.
"Ini adalah salah satu hasil yang paling diantisipasi dan menarik dari Probe Van Allen," kata David Sibeck, ilmuwan proyek Van Allen Probes di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA di Greenbelt, Md. "Ini merupakan inti mengapa kami meluncurkan misi."
Sabuk radiasi ditemukan pada peluncuran satelit AS pertama yang berhasil dikirim ke luar angkasa, Penjelajah I dan III. Segera disadari bahwa ikat pinggang adalah beberapa lingkungan paling berbahaya yang bisa dialami pesawat ruang angkasa. Kebanyakan orbit satelit dipilih untuk merunduk di bawah sabuk radiasi atau lingkaran di luarnya, dan beberapa satelit, seperti pesawat ruang angkasa GPS, harus beroperasi di antara kedua sabuk tersebut. Ketika ikat pinggang membengkak karena cuaca luar angkasa yang masuk, mereka dapat mencakup pesawat ruang angkasa ini, membuat mereka terkena radiasi berbahaya. Memang, sejumlah besar kegagalan permanen pada pesawat ruang angkasa telah disebabkan oleh radiasi. Dengan peringatan yang cukup, kita dapat melindungi teknologi dari konsekuensi terburuk, tetapi peringatan seperti itu hanya dapat dicapai jika kita benar-benar memahami dinamika apa yang terjadi di dalam sabuk misterius ini.
"Sampai tahun 1990-an, kami berpikir bahwa sabuk Van Allen cukup baik dan berubah perlahan," kata Geoff Reeves, penulis pertama di atas kertas dan ilmuwan sabuk radiasi di Laboratorium Nasional Los Alamos di Los Alamos, NM “Dengan lebih banyak dan lebih banyak pengukuran, kami menyadari betapa cepat dan tidak terduga sabuk radiasi berubah. Mereka pada dasarnya tidak pernah berada dalam keseimbangan, tetapi dalam kondisi perubahan yang konstan. ”
Faktanya, para ilmuwan menyadari bahwa ikat pinggang itu bahkan tidak berubah secara konsisten dalam menanggapi apa yang tampaknya merupakan rangsangan serupa. Beberapa badai matahari menyebabkan sabuk semakin intensif; yang lain menyebabkan sabuknya terkuras, dan beberapa tampaknya hampir tidak berpengaruh sama sekali. Efek yang berbeda dari peristiwa yang tampaknya serupa menunjukkan bahwa wilayah ini jauh lebih misterius daripada yang diperkirakan sebelumnya. Untuk memahami - dan akhirnya memprediksi - badai matahari mana yang akan mengintensifkan sabuk radiasi, para ilmuwan ingin tahu dari mana energi yang mempercepat partikel berasal.
Kembar Van Allen Probes dirancang untuk membedakan antara dua kemungkinan luas pada proses apa yang mempercepat partikel hingga kecepatan luar biasa: akselerasi radial atau akselerasi lokal. Dalam percepatan radial, partikel diangkut tegak lurus ke medan magnet yang mengelilingi Bumi, dari area dengan kekuatan magnet rendah jauh dari Bumi ke area dengan kekuatan magnet tinggi di dekat Bumi. Hukum-hukum fisika menentukan bahwa kecepatan partikel dalam skenario ini akan mempercepat ketika kekuatan medan magnet meningkat. Jadi kecepatannya akan meningkat ketika partikel-partikel bergerak menuju Bumi, seperti batu yang meluncur turun dari bukit mengumpulkan kecepatan hanya karena gravitasi. Teori percepatan lokal berpendapat bahwa partikel-partikel mendapatkan energi dari sumber energi lokal lebih mirip dengan cara air lautan panas memunculkan badai di atasnya.
Dua petak partikel di sekitar Bumi yang disebut sabuk radiasi adalah salah satu akselerator alami terbesar di tata surya, mampu mendorong partikel hingga 99% kecepatan cahaya. Probe Van Allen diluncurkan pada Agustus 2012, kini telah menemukan mekanisme di balik percepatan ini. Kredit Gambar: NASA / Goddard / Studio Visualisasi Ilmiah
Untuk membantu membedakan antara kemungkinan-kemungkinan ini, Probe Van Allen terdiri dari dua pesawat ruang angkasa. Dengan dua set pengamatan, para ilmuwan dapat mengukur partikel dan sumber energi di dua wilayah ruang secara bersamaan, yang sangat penting untuk membedakan antara penyebab yang terjadi secara lokal atau berasal dari jauh. Selain itu, setiap pesawat ruang angkasa dilengkapi dengan sensor untuk mengukur energi dan posisi partikel dan menentukan sudut pitch - yaitu, sudut pergerakan sehubungan dengan medan magnet Bumi. Semua ini akan berubah dengan cara yang berbeda tergantung pada kekuatan yang bekerja pada mereka, sehingga membantu para ilmuwan membedakan antara teori-teori tersebut.
Dilengkapi dengan data seperti itu, Reeves dan timnya mengamati peningkatan energi yang cepat dari elektron berenergi tinggi di sabuk radiasi pada 9 Oktober 2012. Jika percepatan elektron ini terjadi karena transportasi radial, orang akan mengukur efek mulai jauh pertama dari Bumi dan bergerak ke dalam karena bentuk dan kekuatan bidang di sekitarnya. Dalam skenario seperti itu, partikel-partikel yang bergerak melintasi medan magnet secara alami melompat dari satu ke yang berikutnya dalam riam yang sama, mengumpulkan kecepatan dan energi di sepanjang jalan - berkorelasi dengan skenario bebatuan yang bergulir menuruni bukit.
Tetapi pengamatan tidak menunjukkan intensifikasi yang terbentuk lebih jauh dari Bumi dan secara bertahap bergerak ke dalam. Sebaliknya mereka menunjukkan peningkatan energi yang dimulai tepat di tengah-tengah sabuk radiasi dan secara bertahap menyebar baik ke dalam maupun ke luar, menyiratkan sumber akselerasi lokal.
"Dalam kasus khusus ini, semua akselerasi terjadi dalam waktu sekitar 12 jam," kata Reeves. “Dengan pengukuran sebelumnya, satelit mungkin hanya bisa terbang melalui peristiwa semacam itu sekali, dan tidak mendapatkan kesempatan untuk menyaksikan perubahan yang sebenarnya terjadi. Dengan Probe Van Allen kami memiliki dua satelit sehingga dapat mengamati bagaimana segala sesuatu berubah dan di mana perubahan itu dimulai. "
Para ilmuwan percaya bahwa hasil baru ini akan mengarah pada prediksi yang lebih baik dari rangkaian peristiwa kompleks yang mengintensifkan sabuk radiasi ke tingkat yang dapat menonaktifkan satelit. Sementara penelitian menunjukkan bahwa energi lokal berasal dari gelombang elektromagnetik yang mengalir melalui sabuk, tidak diketahui secara pasti gelombang mana yang menjadi penyebabnya. Selama serangkaian pengamatan yang dijelaskan dalam makalah, Probe Van Allen mengamati jenis gelombang tertentu yang disebut gelombang chorus pada saat yang sama dengan partikel yang dipercepat, tetapi lebih banyak pekerjaan harus dilakukan untuk menentukan sebab dan akibat.
"Makalah ini membantu membedakan antara dua solusi luas," kata Sibeck. “Ini menunjukkan bahwa akselerasi dapat terjadi secara lokal. Sekarang para ilmuwan yang mempelajari gelombang dan medan magnet akan melompat untuk melakukan pekerjaan mereka, dan mencari tahu gelombang apa yang mendorong. "
Untungnya, tugas seperti itu juga akan dibantu oleh Probe Van Allen, yang juga dirancang dengan hati-hati untuk mengukur dan membedakan antara berbagai jenis gelombang elektromagnetik.
"Ketika para ilmuwan mendesain misi dan instrumentasi pada probe, mereka melihat pada hal-hal yang tidak diketahui secara ilmiah dan berkata, 'Ini adalah peluang besar untuk membuka beberapa pengetahuan mendasar tentang bagaimana partikel dipercepat,'" kata Nicola J. Fox, wakil ilmuwan proyek. di Laboratorium Fisika Terapan Universitas Johns Hopkins di Laurel, Md."Dengan lima rangkaian instrumen yang identik pada pesawat ruang angkasa kembar - masing-masing dengan berbagai partikel dan medan serta deteksi gelombang - kami memiliki platform terbaik yang pernah dibuat untuk lebih memahami wilayah ruang kritis di atas Bumi ini."
Melalui NASA