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(gè)碰撞區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在此區(qū)域內(nèi)有兩個(gè)高溫等離子氣泡(紅色垂直線)相互碰撞。青色尖頭代表磁場(chǎng)，而淺綠色箭頭代表的是電場(chǎng)

　　示意圖：正在地球附近空間工作的THEMIS衛(wèi)星星座。整個(gè)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(chǎng)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(gè)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(chǎng)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(bào)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(chǎng)正時(shí)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(duì)我們產(chǎn)生傷害。這些帶電粒子在地球磁場(chǎng)的阻擋下發(fā)生偏移，一部分會(huì)進(jìn)入一個(gè)被稱作“激波前兆區(qū)”(foreshock)的區(qū)域。近日，美國宇航局THEMIS探測(cè)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://ihrv.cn/tags/光速" title="光速" target="_blank">光速的高速運(yùn)動(dòng)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(jī)制卻一直未能得到明確解釋。

　　而這項(xiàng)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(shí)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(jī)制的新問題。這項(xiàng)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(shí)。而對(duì)于粒子加速方面的更深刻認(rèn)識(shí)則將幫助科學(xué)家和工程師們?cè)谖磥淼娘w船設(shè)計(jì)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(xiàng)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(duì)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(duì)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(píng)論快報(bào)》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(chǎng)外側(cè)的某些特定區(qū)域被加速的。在典型情況下，一個(gè)飛向地球的粒子首先會(huì)遇到一個(gè)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(gè)防護(hù)屏障。在弓形激波區(qū)內(nèi)的磁場(chǎng)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(huì)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(huì)聚集在一起，形成一個(gè)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(yùn)動(dòng)速度很快的電子和離子。在歷史上，科學(xué)家們?cè)?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(shí)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(dòng)中也能獲得能量。

　　導(dǎo)出這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)是由美國宇航局的其中一個(gè)THEMIS探測(cè)器獲得的，這是“亞暴期事件與大尺度相互作用時(shí)間歷史”探測(cè)器的縮寫。整個(gè)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(chǎng)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(cè)器在其飛行過程中會(huì)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(xiàng)目仍有兩顆探測(cè)器正在月球軌道上運(yùn)行并采集數(shù)據(jù)。

　　在地球與太陽之間飛行探測(cè)期間，THEMIS飛船發(fā)現(xiàn)在某些區(qū)域電子會(huì)被加速到極高的能級(jí)。這樣的加速持續(xù)時(shí)間不超過1分鐘，但是其能級(jí)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(cè)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(dòng)產(chǎn)生的。

　　大衛(wèi)·斯貝克(David Sibeck)是這項(xiàng)研究的合作者，也是美國戈達(dá)德空間飛行中心的THEMIS項(xiàng)目科學(xué)家。他說：“這令人困惑，因?yàn)槲覀冊(cè)诓辉摯嬖诟吣茈娮拥膮^(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(shí)中的空擋，某些基礎(chǔ)理論出現(xiàn)了缺失?！?/p>

　　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(huì)沿著某個(gè)特定的方向和位置——具體的說應(yīng)當(dāng)是與地球磁場(chǎng)的磁感線方向一致的。然而觀測(cè)到的電子加速卻是沿著各個(gè)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(cè)到實(shí)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(shí)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(jī)制產(chǎn)生了影響，因?yàn)楹暧^尺度上的機(jī)制無法對(duì)此進(jìn)行解釋?！?/p>

　　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(cè)到高能粒子，但直到今天，還無人觀測(cè)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(shí)間實(shí)在太過于短暫，此前的觀測(cè)數(shù)據(jù)間隔都達(dá)到數(shù)分鐘，在此期間很有可能會(huì)忽略很多事件。而THEMIS探測(cè)項(xiàng)目采集數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率要高得多，從而能夠觀測(cè)到這些粒子的存在。

　　接下來，研究人員們計(jì)劃利用THEMIS探測(cè)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(jī)制。