Дослідники виявили несподівану проблему в тому, як людство понад 60 років інтерпретує дані про радіаційні пояси Землі. Виявилося, що впорядкований рух високоенергетичних частинок може виглядати на показаннях космічного апарата майже так само, як випадкове розсіювання.
Це важливе уточнення, адже радіаційні пояси — кільцеподібні області навколо планети, де магнітне поле утримує заряджені частинки високої енергії. Вони становлять серйозну проблему для космічної техніки: такі частинки здатні пошкоджувати супутники, порушувати роботу електроніки та створювати додаткові ризики для космічних місій.
Коли порядок нагадує хаос
Команда дослідників під керівництвом учених з Університету Бірмінгема та Чеської академії наук показала, що обмежена роздільна здатність приладів може приховувати складну структуру руху частинок.
Уявімо групу частинок, які спочатку рухаються організовано. Через невеликі відмінності у швидкості з часом вони розтягуються, формуючи дедалі тонші структури — своєрідні нитки та волокна.
Космічний апарат не здатен побачити всі ці деталі. Коли структура стає надто дрібною для його приладів, вимірювання перетворюються на більш гладку картину. На перший погляд вона нагадує результат випадкового розсіювання частинок.
Тобто одна й та сама картина в даних може бути наслідком двох абсолютно різних фізичних процесів.
Чому це важливо
Протягом десятиліть подібні спостереження часто пояснювали за допомогою моделей дифузії — процесу, за якого частинки поступово та випадково розподіляються під дією різних збурень.
Нове дослідження не стверджує, що дифузії в радіаційних поясах не існує. Проблема в іншому: самих даних від одного космічного апарата іноді недостатньо, щоб достовірно визначити, який саме механізм стоїть за побаченою картиною.
За словами дослідників, це може змусити переглянути частину попередніх висновків щодо поведінки частинок у небезпечному навколоземному середовищі.
Подібні радіаційні пояси існують не лише біля Землі. Їх виявляють також навколо Юпітера, Сатурна, Ганімеда та деяких ультрахолодних коричневих карликів. Тому проблема має значення далеко за межами нашої планети.
Один супутник бачить лише частину картини
Вчені пропонують очевидний, але складніший шлях вирішення проблеми — використовувати не один космічний апарат, а цілі сузір’я наукових супутників.
Якщо кілька апаратів одночасно спостерігатимуть одну й ту саму популяцію частинок у різних точках простору, дослідники зможуть краще відокремити зміни, що відбуваються в просторі, від змін, які розгортаються з часом.
Для пояснення ефекту науковці наводять аналогію з мистецтвом. Складний візерунок картини Джексона Поллока здалеку або за низької роздільної здатності може перетворитися на майже однорідну пляму. Але сама картина від цього не стає іншою — спостерігач просто втрачає дрібні деталі.
Приблизно те саме може відбуватися з частинками в радіаційних поясах.
Дослідження, опубліковане в Physical Review Research, ставить важливе питання до багаторічної практики аналізу космічних спостережень: чи справді ми завжди бачимо фізичний процес, чи іноді лише наслідок обмежень наших приладів?
Відповідь на це питання може вплинути не лише на фундаментальне розуміння радіаційних поясів, а й на те, наскільки точно в майбутньому ми зможемо прогнозувати космічні загрози для супутників та інших апаратів.