新发现揭示了范艾伦辐射带中电子如何加速

NASA的Van Allen探测器绕着环绕地球的两条巨大辐射带运行。他们的观察结果有助于解释皮带中的颗粒如何以接近光速的速度加速运动。图像

一项最新发表的研究报告利用Van Allen Probes的新数据揭示了对两个过程的首次直接观察，这两个过程在一链中导致地球外辐射带中的电子加速。

太空气象科学家面临的一个巨大的，尚未解决的问题是，究竟是什么造成了围绕地球的两个巨大的辐射圈，称为范艾伦辐射带。Van Allen Probes（2012年发射的两艘几乎相同的航天器）的最新数据解决了这个问题。

内部的Van Allen辐射带相当稳定，但是外部的辐射带以科学家尚未完全理解的方式改变了形状，大小和组成。该带内的一些粒子以接近光速的速度放大，但是究竟是什么促使这些粒子加速到如此高的速度呢？Van Allen Probes的最新数据表明这是一个双重过程：一种机制使粒子具有最初的增强能力，然后一种称为惠斯勒的电磁波完成了最后的工作，将粒子加速到如此高的速度。

加利福尼亚大学伯克利分校的太空科学家，关于这些结果的论文的第一作者福雷斯特·莫泽（Forrest Mozer）说：“了解这一过程是如何发生的，于2014年7月15日在线发表在《物理评论快报》上。以及7月18日的印刷版。“我们不仅认为太阳和其他行星周围也会发生类似的过程，而且这些快速粒子会损坏航天器中的电子设备并影响太空中的宇航员。”

在过去的几十年中，关于这些极高能粒子来自何处的理论已经得到发展。它们在很大程度上分为两种不同的可能性。第一个理论是，粒子从更远的地方（约400,000英里或更远）漂移进来，沿途收集能量。第二种理论是某种机制可以加速已经在该空间区域中居住的粒子。在太空飞行了两年之后，Van Allen Probes的数据在很大程度上指向了后者。

此外，研究表明，一旦粒子获得100 keV的相当大的能量，它们就会以与巨大电磁波同步的速度运动，从而可以使粒子进一步加速运动-就像对挥杆进行适时的推动一样，它越来越高。

马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的范·艾伦探测器的副任务科学家Shri Kanekal说：“本文结合了以前所接受的惠斯勒波理论。”“但是，它为粒子如何获得最初的能量推动提供了新的解释。”

第一种机制是基于一种称为时域结构的东西，Mozer和他的同事先前已经在这些带子中发现了这种东西。它们是非常短的电场脉冲，与穿过辐射带的磁场平行。这些磁场线引导皮带中所有带电粒子的运动：粒子沿着线移动并绕线旋转，就好像它们在追寻弹簧的形状一样。在此早期阶段，电脉冲将粒子沿平行于磁场的方向更快地向前推动。这种机制虽然在一定程度上增加了能量-尽管不如传统上认为的那样高，以使惠斯勒波发挥作用。但是，Mozer和他的团队通过Van Allen Probes和模拟得出的数据表明，惠斯勒确实可以在这些较低能量下影响粒子。

一二冲头结合在一起可以有效地将颗粒加速到很高的速度，而这种速度已经神秘地出现在Van Allen传送带上了很长时间。

Mozer说：“ Van Allen Probes能够比任何其他航天器更好地监视此加速过程，因为它是为此目的而设计并放置在特殊轨道上的。”“这次访问为发生的事情提供了第一个非常有力的确认。这是我们第一次真正能够解释电子如何以接近光速的速度被加速。”

这些知识有助于充分了解皮带，以保护附近的航天器和宇航员。

位于马里兰州劳雷尔市的约翰霍普金斯大学应用物理实验室为美国国家航空航天局（NASA）的科学任务部建造并运营了Van Allen Probes。这是美国宇航局“与星共生”计划的第二项任务，该计划由美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理。

出版物：F.S. Mozer等人，“非线性吹口哨对从电子伏特能量到兆伏特的辐射带电子加速的直接观察”，2014年，物理。Rev.Lett。，113，035001; doi：10.1103 / PhysRevLett.113.035001

图像：美国宇航局