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地球磁场外侧的神秘电子加速现象:接近光速的高速运动

2016-11-18  米老鼠64

地球磁场外侧的神秘电子加速现象:接近光速的高速运动


 这张图像表示的是一种传统的空间粒子加速理论模型,即所谓“激波漂移加速”。黄色的是电子,蓝色是质子,可以看到这两种带电粒子在一个碰撞区域内运动,在此区域内有两个高温等离子气泡(红色垂直线)相互碰撞。青色尖头代表磁场,而浅绿色箭头代表的是电场

示意图:正在地球附近空间工作的THEMIS卫星星座。整个THEMIS星座一共有5颗卫星围绕地球飞行,目的是观察地球磁场如何捕获及释放太阳风粒子能量,从而理解导致极光出现的地磁亚暴现象是如何发生的

新浪科技讯 北京时间11月16日消息,据国外媒体报道,我们之所以能够安然存活于地球之上,一部分原因是地球磁场正时刻阻挡着来自太阳的大量高能粒子流,使其不能大量抵达地面并对我们产生伤害。这些带电粒子在地球磁场的阻挡下发生偏移,一部分会进入一个被称作“激波前兆区”(foreshock)的区域。近日,美国宇航局THEMIS探测器获得的数据显示这一狂暴区域能够将电子加速到接近光速的高速运动状态。在此之前,科学家们已经在接近地球的空间内发现过这类速度极高的粒子,更多这样的粒子存在于宇宙空间之中,但它们背后的加速机制却一直未能得到明确解释。

而这项最新研究得到的结果朝着给出这一问题的答案迈出了第一步,但同时也引出的新的问题。研究人员发现电子被加速到极高速度的区域远远超出了此前理论认为可能的最远边界,从而引出的关于这些电子被加速背后机制的新问题。这项研究成果将有望改写现有关于电子如何在地球周围的激波区,以及宇宙各处被加速的理论认识。而对于粒子加速方面的更深刻认识则将帮助科学家和工程师们在未来的飞船设计中为宇航员和设备提供更好的辐射防护设施,从而确保宇宙航行过程中的安全无虞。

这项研究的第一作者,美国宇航局位于马里兰州格林贝特戈达德空间飞行中心的林恩·威尔森(Lynn Wilson)表示:“这将对几乎所有与高能粒子相关的领域产生影响,从宇宙射线研究到太阳耀斑和日冕物质抛射。这些事件都将有可能对人造卫星以及飞往火星的宇航员们的安全构成威胁。”

相关研究结果已经在11月14日出版的《物理评论快报》上发表。在这篇论文中,科学家们描述了这些粒子是如何在地球磁场外侧的某些特定区域被加速的。在典型情况下,一个飞向地球的粒子首先会遇到一个被称作“弓形激波区”(bow shock)的区域,该区域在地球与太阳之间构建起一个防护屏障。在弓形激波区内的磁场让粒子减速,从而让绝大部分飞向地球的粒子改变方向,偏离地球,其中还会有一部分被反弹回来,重新朝太阳方向飞行。这些被反弹回去的粒子会聚集在一起,形成一个充满电子和离子的区域,被称作“激波前兆区”。

在该区域的一部分粒子是能量非常高,运动速度很快的电子和离子。在历史上,科学家们曾经设想过这些粒子在弓形激波区内部来回反弹,并在每一次反弹中获得能量,从而实现加速的理论。而此次的研究却发现这些粒子在激波前兆区本身的电磁活动中也能获得能量。

导出这项发现的相关数据是由美国宇航局的其中一个THEMIS探测器获得的,这是“亚暴期事件与大尺度相互作用时间历史”探测器的缩写。整个THEMIS星座一共有5颗卫星围绕地球飞行,目的是观察地球磁场如何捕获及释放太阳风粒子能量,从而理解导致极光出现的地磁亚暴现象是如何发生的。THEMIS探测器在其飞行过程中会穿越激波前兆区边界。THEMIS主要任务期已经于2010年顺利结束,现在该项目仍有两颗探测器正在月球轨道上运行并采集数据。

在地球与太阳之间飞行探测期间,THEMIS飞船发现在某些区域电子会被加速到极高的能级。这样的加速持续时间不超过1分钟,但是其能级明显要比该区域内其他粒子要高得多,并且也远远超过了用碰撞理论能够解释的范围。来自Wind 以及 STEREO卫星提供的同步观测数据显示在此期间并未发生太阳射电暴发或者行星际激波现象,因此这些高能电子并非是由太阳活动产生的。

大卫·斯贝克(David Sibeck)是这项研究的合作者,也是美国戈达德空间飞行中心的THEMIS项目科学家。他说:“这令人困惑,因为我们在不该存在高能电子的区域见到了它们,并且没有任何现有理论模型能够对此给出解释。这是我们知识中的空挡,某些基础理论出现了缺失。”

这些高能电子也不可能如此前一直以为的那样来自弓形激波区。如果这些电子是在弓形激波区被加速的,它们应当会沿着某个特定的方向和位置——具体的说应当是与地球磁场的磁感线方向一致的。然而观测到的电子加速却是沿着各个不同方向的,而并不仅仅是沿着地球磁感线。另外,弓形激波能够赋予电子的能量也只是观测到实际情况的十分之一左右。最终,科学家们认为这些电子获得能量从而实现加速背后的谜底还是隐藏在激波前兆区内部。

威尔森表示:“看起来这就是一种极小尺度上的机制产生了影响,因为宏观尺度上的机制无法对此进行解释。”

早在50多年前,科学家们便已经在激波前兆区内观测到高能粒子,但直到今天,还无人观测到在激波前兆区内产生出来的高能电子。究其原因,首先是电子在这里得到加速的时间实在太过于短暂,此前的观测数据间隔都达到数分钟,在此期间很有可能会忽略很多事件。而THEMIS探测项目采集数据的时间分辨率要高得多,从而能够观测到这些粒子的存在。

接下来,研究人员们计划利用THEMIS探测器采集更多数据,以便最终确认电子神秘加速事件背后的真正机制。(晨风)


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