近地太空發現詭異超速電子 能量來源疑團重重

2021-02-25 浩瀚宇宙

據英國《每日郵報》報導,NASA在地球磁場附近的太空中發現了被加速到近光速的電子,在名為「前震(foreshock)」的動蕩區域中,這些粒子以神秘的方式獲得了高能量,這些能量是弓形激波引發的能量的十倍。但是這種現象的原因讓NASA都覺得困惑,這一詭異的新發現有望永遠改變粒子物理學領域的某些理論。

NASA表示,這一發現讓他們邁出了尋求答案的第一步,但同時卻引發了更多的疑問。

在地球磁場以外的不遠區域中,粒子受到了幹擾,其中一些被反射到名為前震的動蕩區域中,在那裡它們以某種方式被加速到超快的速度。

NASA戈達德太空飛行中心把這些發現撰寫成文章並發表在《物理評論快報(Physical Review Letter)》中,首席撰稿人林恩•威爾遜(Lynn Wilson)表示,「這幾乎影響了與高能粒子相關的每一個領域,例如,對宇宙射線、太陽耀斑和日冕物質拋射的研究。這些粒子有可能破壞衛星,對太空人的火星探險帶來不利影響。」

在地面上方的地球磁場不斷使來自太陽的超音速粒子改變方向並發生偏移。

NASA的新發現表明,這一動蕩區域會讓電子加速至接近光速。

先前科學家們在近地太空和宇宙中的許多其他地方發現過這些高速粒子,但並不理解它們的加速原理。

現在這些新發現可能會改變此前一些得到公認的理論。這些理論認為,電子不僅僅在近地太空的震蕩區域中會得到加速,在整個宇宙中都是如此。

更好地了解粒子如何獲得能量將有助於科學家和工程師為太空飛行器和太空人提供能夠應對這些粒子的設備,這些粒子可能導致設備出現故障。

NASA的這篇文章描述了這些顆粒如何在地球磁場以外及附近的特定區域得到加速。

通常情況下,朝著地球流動的顆粒首先遭遇名為弓形激波(bow shock)的邊界區域,該區域在太陽風和地球之間形成一道保護屏障。太陽風是指來自太陽的持續和不斷變化的帶電粒子流。

弓形激波中的磁場不僅讓顆粒減速,還會讓大多數顆粒偏離地球,有一些顆粒因反射而朝向太陽方向折回。

這些被反射的電子和離子形成了前震區域。

前震區域中的一些顆粒是具有高能量的、快速移動的電子和離子。

在過去,科學家們認為這些粒子獲得這種高能量的一種方式是通過弓形激波來回彈跳,並從每次碰撞中獲得些許額外的能量。

不過,新發現表明,這些顆粒也可通過前震區域本身的電磁活動獲得能量。

THEMIS項目的科學家兼合作撰稿人大衛-斯貝克(David Sibeck)表示,「這種情況令人困惑,因為我們原以為,這些高能量電子不會出現在這些地方,目前也沒有已知的模式符合它們的特徵。我們對太空的認知存在缺口,一些基本知識的缺失。」

研究者表示,按照過往的認識,這些電子不可能源自弓形激波。

如果電子是在弓形激波中被加速,它們將出現與磁場一致的運動方向和位置,並在一些小範圍的特定區域內逐漸遠離弓形激波。

然而,NASA研究者此次觀察到的電子是沿著所有方向移動,而不僅僅沿著磁場線移動。

此外,弓形激波產生的能量大約僅是此次發現的電子能量的十分之一。

電子加速的原因究竟是什麼?解決這一奧妙的關鍵在於前震區域。

威爾遜說,「這似乎表明,這令人難以置信的微觀現象難以通過宏觀原理來解釋。」

接下來,研究者打算通過THEMIS項目收集更多的觀察結果,以確定電子加速背後的具體機制。

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