Arase uydusu Dünya'nın 'aşılmaz bariyeri' içinde hızlanan elektronları yakaladı

Japonya Uzay Araştırma Ajansı JAXA'nın Arase uydusu, Mayıs 2024'teki jeomanyetik süper fırtına sırasında, Dünya'yı saran radyasyon kuşaklarında aşırı yüksek enerjili elektronların giremediği düşünülen bir bölgenin içinde, enerjisi 3 megaelektronvoltu (MeV) aşan elektronlar ölçtü. Nagoya Üniversitesi liderliğindeki ekibin Geophysical Research Letters dergisinde yayımlanan ve 28 Ekim'de duyurulan çalışması, bu elektronların dışarıdan sızmadığını, bulundukları yerde hızlandırıldığını gösteren kanıtlar sunuyor.

Bulgu, uyduların görece korunaklı sayılan yörüngelerinde bile şiddetli uzay havası olaylarında beklenmedik radyasyon artışları yaşanabileceğine işaret ediyor.

"Aşılmaz bariyer" nedir?

Dünya'nın manyetik alanı, yüklü parçacıkları, yani proton ve elektronları, Van Allen radyasyon kuşakları adı verilen iki simit biçimli bölgede tutar. Bu kuşaklardaki parçacıklar, içinden geçen uzay araçlarının donanımına ve elektroniğine zarar verebilir.

Nagoya Üniversitesi'nin açıklamasına göre dış kuşağın iç kenarında, Dünya'nın merkezinden yaklaşık 3 Dünya yarıçapı uzaklıkta, çok yüksek enerjili elektronlar görünmez bir duvara çarpmış gibi durur. İlk kez 2014'te tanımlanan bu "aşılmaz bariyer"in kaynağı tam olarak anlaşılmış değil. Olası açıklamalardan biri, hoparlörden dinlendiğinde parazit sesi veren düşük frekanslı radyo dalgaları olan "plazmasferik tıslama". Denizaltılarla haberleşmek için kullanılan insan yapımı çok düşük frekanslı (VLF) radyo yayınlarının da elektronları atmosfere saçarak bu sınırın biçimlenmesine katkıda bulunabileceği düşünülüyor.

Olağan koşullarda bu bölge çok hızlı elektronlardan yoksundur. Ancak Mayıs 2024'te durum değişti.

Mayıs 2024 fırtınasında ne oldu?

Yoğun Güneş etkinliğinin tetiklediği süper fırtına sırasında Japonya'da Hokkaido'dan güneydeki Hyogo iline kadar kutup ışıkları görüldü. Bu sırada ve sonrasında Arase, bariyerin içinden veri topladı ve ışık hızına yakın hareket eden yüksek enerjili elektronların büyük bir akısını kaydetti. Bazı elektronların enerjisi, kimi uydu kalkanlarını aşabilecek düzey olan 3 MeV'nin üzerindeydi. Kısacası "aşılmaz" denen bariyer aşılmış görünüyordu.

Çalışmanın baş yazarı, Nagoya Üniversitesi Uzay-Dünya Çevre Araştırmaları Enstitüsü'nden (ISEE) Prof. Yoshizumi Miyoshi, temel sorunun bu elektronların bariyerin içine nasıl ulaştığı olduğunu belirtiyor: Dış kuşaktan içeri mi taşındılar, yoksa bu bölgede yerinde mi hızlandılar?

Yerinde hızlanmanın izi

İlk ipucu, elektronların enerjilerine ve hareketlerine göre nasıl dağıldığını anlatan "faz uzayı yoğunluğu" adlı nicelikten geldi. Ekip Arase'nin birçok yörüngesinden aldığı ölçümlerle bu yoğunluğun Dünya'dan uzaklığa göre nasıl değiştiğini inceledi. Bariyerin olağan sınırına yakın bir yerde belirgin bir yerel tepe oluştuğu ve bu tepenin zamanla güçlendiği görüldü. Elektronlar yalnızca dışarıdan taşınsaydı böyle büyüyen bir tepe beklenmezdi; bu, enerjinin yerinde kazanıldığına işaret ediyor.

Kuş cıvıltısına benzeyen dalgalar

Enerjinin kaynağı için Arase'nin kaydettiği, frekansı tekrar tekrar yukarı doğru kayan güçlü elektromanyetik dalgalar öne çıktı. "Koro dalgaları" adı verilen bu doğal, düşük frekanslı dalgalar Dünya'nın manyetik alanı boyunca yayılıyor. Dalganın salınımı, elektronların manyetik alan çizgileri çevresindeki sarmal hareketiyle uyumlu hâle geldiğinde elektronlara enerji aktarabiliyor. Miyoshi'ye göre bu dalgalar sese dönüştürüldüğünde kuş cıvıltısını andırıyor.

Dalgaların etkisini Mayıs 2024'te bu kadar güçlü kılan, fırtınanın plazmasferi, yani görece soğuk yüklü parçacıklarla dolu iç bölgeyi ciddi biçimde aşındırmasıydı. Nagoya ekibi daha önce aynı fırtınanın plazmasferi normal boyutunun beşte birine kadar sıkıştırdığını bildirmişti. Plazmasferin dış sınırı Dünya'ya alışılmadık ölçüde yaklaşınca bariyer çevresindeki plazma seyreldi; bu da daha sıcak elektronların içeri ilerleyip koro dalgaları üretmesine olanak verdi.

Üstelik seyrelme çabuk geçmedi. Miyoshi, plazmasferin normalde yaklaşık iki günde toparlandığını, Mayıs 2024 fırtınasında ise gözlenen bölgede plazma yoğunluğunun fırtına öncesinin yarısını aşması için yaklaşık 4,3 ila 4,7 gün gerektiğini aktarıyor. Ekibe göre bu uzun düşük yoğunluk dönemi, koro dalgaları için elverişli ortamı birkaç gün koruyarak elektronların hızlanmasının sürmesini sağlamış olabilir.

Sınırlar ve sıradaki adım

Çalışma tek ve son derece sıra dışı bir fırtınaya dayanıyor; araştırmacılar da uzun süren düşük yoğunluğun hızlanma için "olası" bir elverişli ortam yarattığını söyleyerek temkinli bir dil kullanıyor. Benzer bir sürecin daha zayıf fırtınalarda ne ölçüde işlediği henüz bilinmiyor.

Miyoshi, bulgunun aşırı uzay havası koşullarında enerjili elektronların davranışını anlama ve öngörme ihtiyacını ortaya koyduğunu, bunun uzay araçlarına yönelik radyasyon risklerini değerlendirmek ve uzay havası tahminlerini iyileştirmek için önemli olduğunu vurguluyor. 2016'nın sonunda fırlatılan Arase'nin Dünya'ya yakın uzay ortamını kesintisiz izlemesi, bir sonraki büyük fırtınada bu senaryonun sınanmasını mümkün kılacak.