這張圖像表示的是一種傳統(tǒng)的空間粒子加速理論模型，即所謂“激波漂移加速”。黃色的是電子，藍(lán)色是質(zhì)子，可以看到這兩種帶電粒子在一個碰撞區(qū)域內(nèi)運動，在此區(qū)域內(nèi)有兩個高溫等離子氣泡(紅色垂直線)相互碰撞。青色尖頭代表磁場，而淺綠色箭頭代表的是電場
示意圖：正在地球附近空間工作的THEMIS衛(wèi)星星座。整個THEMIS星座一共有5顆衛(wèi)星圍繞地球飛行，目的是觀察地球磁場如何捕獲及釋放太陽風(fēng)粒子能量，從而理解導(dǎo)致極光出現(xiàn)的地磁亞暴現(xiàn)象是如何發(fā)生的 示意圖：正在地球附近空間工作的THEMIS衛(wèi)星星座。整個THEMIS星座一共有5顆衛(wèi)星圍繞地球飛行，目的是觀察地球磁場如何捕獲及釋放太陽風(fēng)粒子能量，從而理解導(dǎo)致極光出現(xiàn)的地磁亞暴現(xiàn)象是如何發(fā)生的
據(jù)國外媒體報道，我們之所以能夠安然存活于地球之上，一部分原因是地球磁場正時刻阻擋著來自太陽的大量高能粒子流，使其不能大量抵達(dá)地面并對我們產(chǎn)生傷害。這些帶電粒子在地球磁場的阻擋下發(fā)生偏移，一部分會進(jìn)入一個被稱作“激波前兆區(qū)”(foreshock)的區(qū)域。近日，美國宇航局THEMIS探測器獲得的數(shù)據(jù)顯示這一狂暴區(qū)域能夠?qū)㈦娮蛹铀俚浇咏?a class="innerlink" href="http://www.shi-ke.cn/tags/光速" title="光速" target="_blank">光速的高速運動狀態(tài)。在此之前，科學(xué)家們已經(jīng)在接近地球的空間內(nèi)發(fā)現(xiàn)過這類速度極高的粒子，更多這樣的粒子存在于宇宙空間之中，但它們背后的加速機制卻一直未能得到明確解釋。
而這項最新研究得到的結(jié)果朝著給出這一問題的答案邁出了第一步，但同時也引出的新的問題。研究人員發(fā)現(xiàn)電子被加速到極高速度的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了此前理論認(rèn)為可能的最遠(yuǎn)邊界，從而引出的關(guān)于這些電子被加速背后機制的新問題。這項研究成果將有望改寫現(xiàn)有關(guān)于電子如何在地球周圍的激波區(qū)，以及宇宙各處被加速的理論認(rèn)識。而對于粒子加速方面的更深刻認(rèn)識則將幫助科學(xué)家和工程師們在未來的飛船設(shè)計中為宇航員和設(shè)備提供更好的輻射防護(hù)設(shè)施，從而確保宇宙航行過程中的安全無虞。
這項研究的第一作者，美國宇航局位于馬里蘭州格林貝特戈達(dá)德空間飛行中心的林恩·威爾森(Lynn Wilson)表示：“這將對幾乎所有與高能粒子相關(guān)的領(lǐng)域產(chǎn)生影響，從宇宙射線研究到太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射。這些事件都將有可能對人造衛(wèi)星以及飛往火星的宇航員們的安全構(gòu)成威脅。”
相關(guān)研究結(jié)果已經(jīng)在11月14日出版的《物理評論快報》上發(fā)表。在這篇論文中，科學(xué)家們描述了這些粒子是如何在地球磁場外側(cè)的某些特定區(qū)域被加速的。在典型情況下，一個飛向地球的粒子首先會遇到一個被稱作“弓形激波區(qū)”(bow shock)的區(qū)域，該區(qū)域在地球與太陽之間構(gòu)建起一個防護(hù)屏障。在弓形激波區(qū)內(nèi)的磁場讓粒子減速，從而讓絕大部分飛向地球的粒子改變方向，偏離地球，其中還會有一部分被反彈回來，重新朝太陽方向飛行。這些被反彈回去的粒子會聚集在一起，形成一個充滿電子和離子的區(qū)域，被稱作“激波前兆區(qū)”。
在該區(qū)域的一部分粒子是能量非常高，運動速度很快的電子和離子。在歷史上，科學(xué)家們曾經(jīng)設(shè)想過這些粒子在弓形激波區(qū)內(nèi)部來回反彈，并在每一次反彈中獲得能量，從而實現(xiàn)加速的理論。而此次的研究卻發(fā)現(xiàn)這些粒子在激波前兆區(qū)本身的電磁活動中也能獲得能量。
導(dǎo)出這項發(fā)現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)是由美國宇航局的其中一個THEMIS探測器獲得的，這是“亞暴期事件與大尺度相互作用時間歷史”探測器的縮寫。整個THEMIS星座一共有5顆衛(wèi)星圍繞地球飛行，目的是觀察地球磁場如何捕獲及釋放太陽風(fēng)粒子能量，從而理解導(dǎo)致極光出現(xiàn)的地磁亞暴現(xiàn)象是如何發(fā)生的。THEMIS探測器在其飛行過程中會穿越激波前兆區(qū)邊界。THEMIS主要任務(wù)期已經(jīng)于2010年順利結(jié)束，現(xiàn)在該項目仍有兩顆探測器正在月球軌道上運行并采集數(shù)據(jù)。
在地球與太陽之間飛行探測期間，THEMIS飛船發(fā)現(xiàn)在某些區(qū)域電子會被加速到極高的能級。這樣的加速持續(xù)時間不超過1分鐘，但是其能級明顯要比該區(qū)域內(nèi)其他粒子要高得多，并且也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了用碰撞理論能夠解釋的范圍。來自Wind 以及 STEREO衛(wèi)星提供的同步觀測數(shù)據(jù)顯示在此期間并未發(fā)生太陽射電暴發(fā)或者行星際激波現(xiàn)象，因此這些高能電子并非是由太陽活動產(chǎn)生的。
大衛(wèi)·斯貝克(David Sibeck)是這項研究的合作者，也是美國戈達(dá)德空間飛行中心的THEMIS項目科學(xué)家。他說：“這令人困惑，因為我們在不該存在高能電子的區(qū)域見到了它們，并且沒有任何現(xiàn)有理論模型能夠?qū)Υ私o出解釋。這是我們知識中的空擋，某些基礎(chǔ)理論出現(xiàn)了缺失。”
這些高能電子也不可能如此前一直以為的那樣來自弓形激波區(qū)。如果這些電子是在弓形激波區(qū)被加速的，它們應(yīng)當(dāng)會沿著某個特定的方向和位置——具體的說應(yīng)當(dāng)是與地球磁場的磁感線方向一致的。然而觀測到的電子加速卻是沿著各個不同方向的，而并不僅僅是沿著地球磁感線。另外，弓形激波能夠賦予電子的能量也只是觀測到實際情況的十分之一左右。最終，科學(xué)家們認(rèn)為這些電子獲得能量從而實現(xiàn)加速背后的謎底還是隱藏在激波前兆區(qū)內(nèi)部。
威爾森表示：“看起來這就是一種極小尺度上的機制產(chǎn)生了影響，因為宏觀尺度上的機制無法對此進(jìn)行解釋。”
早在50多年前，科學(xué)家們便已經(jīng)在激波前兆區(qū)內(nèi)觀測到高能粒子，但直到今天，還無人觀測到在激波前兆區(qū)內(nèi)產(chǎn)生出來的高能電子。究其原因，首先是電子在這里得到加速的時間實在太過于短暫，此前的觀測數(shù)據(jù)間隔都達(dá)到數(shù)分鐘，在此期間很有可能會忽略很多事件。而THEMIS探測項目采集數(shù)據(jù)的時間分辨率要高得多，從而能夠觀測到這些粒子的存在。
接下來，研究人員們計劃利用THEMIS探測器采集更多數(shù)據(jù)，以便最終確認(rèn)電子神秘加速事件背后的真正機制。