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天空中的巨型粒子加速器–范艾伦辐射带内的超高能电子

2021-11-06 11:50:05来源:

新的研究发现,电子在范艾伦辐射带内被局部加热到极高的能量。

地球磁场正在捕获高能粒子。当第一批卫星发射到太空时,由詹姆斯·范·艾伦(James Van Allen)领导的科学家意外地发现了高能粒子辐射区,该地区后来以其发现者范·艾伦辐射带(Van Allen Radiation Belts)命名。可视化地看,它们看起来像两个甜甜圈状的区域,环绕着我们的星球。

现在,由GFZ德国地球科学研究中心的研究人员领导的一项新研究表明,辐射带中的电子可以在本地加速到非常高的速度。研究表明,磁层是一种非常有效的粒子加速器,它将电子加速到所谓的超相对论能量。由GFZ Potsdam的博士后学者Hayley Allison以及GFZ的Yuri Shprits和波茨坦大学的教授进行的研究发表在自然通讯上。

为了更好地了解Van Allen Belts的起源,2012年,NASA发射了Van Allen Probes双人航天器,以穿越这个最严酷的环境并在这个危险区域进行详细的测量。测量包括以不同速度,不同方向和等离子波运动的全部粒子。等离子体波类似于我们在水面上看到的波,但实际上肉眼看不见。可以将它们与电场和磁场中的纹波进行比较。

最近的观察表明,带中电子的能量可以上升到所谓的超相对论能量。这些温度超过1000亿华氏度的电子移动得如此之快,以至于其运动能量远高于爱因斯坦著名的E = mc2公式给出的静止能量。它们是如此之快,以至于这些粒子的时间流明显变慢。

科学家惊讶地发现了这些超相对论电子,并假设只有通过两个过程的组合才能达到如此高的能量:从磁层外层向内传输粒子,从而加速它们;以及等离子波对粒子的局部加速作用。

但是,这项新研究表明,电子通过从等离子波中吸收所有这些能量,从而在皮带的心脏局部达到了如此不可思议的能量。事实证明,此过程非常有效。关于粒子向超相对论能量的加速如何在近地空间中运作的意外发现,可能有助于科学家了解太阳,外行星附近,甚至是太空探测的宇宙遥远角落的加速的基本过程。够不到。

参考:Hayley J. Allison和Yuri Y. Shprits撰写的“将辐射带电子局部加热到超相对论能量”,2020年9月10日,Nature Communications.DOI:
10.1038 / s41467-020-18053-z