科學家發現范艾倫帶能夠加速粒子而非捕獲粒子

NASA的范艾倫輻射探測器證實，范艾倫輻射帶在太陽風暴過后不久就可以自行加速電子。圖片來源： ARTIST’S IMPRESSION JHU/APL

　　高速粒子以兩個同心圓的方式環繞地球運行的秘密終于被揭開——這距離其被發現已有55年。這兩個同心圓被稱為范艾倫輻射帶。美國宇航局(NASA)的兩個探測器已經發現，范艾倫輻射帶負責加速粒子，而不是收集來自其他地方的高能粒子。空間科學家認為，他們的最新發現也可以解釋圍繞土星和木星運行的能量更高的輻射帶，以及太陽系外，甚至是一些類太陽恒星的高能輻射。

　　1958年，空間科學家詹姆斯·范艾倫和同事確定了該輻射帶。幾年之后，研究人員推斷，這些同心圓中的電子來自遙遠的地球磁氣圈(由地球磁場所控制)。他們提出，隨著這些粒子漂移接近地球，遇到更強的磁場，它們就會加速并進入一個環狀的運行軌道。

　　但是這種形式的加速過程需要幾天到幾周的時間，從而最好地描述了只隨時間逐漸變化的輻射帶。20世紀90年代，衛星觀測開始顯示，范艾倫輻射帶的能量和密度在更加迅速地發生變化。于是，關于輻射帶電子來源的一個有競爭性的理論開始生效：帶電粒子并不是來自遠方，而是在原地產生的——輻射帶中的電場從游離原子中得到電子，并將其加速至將近光速。該過程會在數秒到數小時的時間里使輻射帶的能量發生變化，這一理論與20世紀90年代的觀測結果更加吻合。

　　然而，衛星觀測的范圍仍然太過稀疏，而且衛星并不是為觀測輻射帶在不同位置的快速變化特性而設計的。該研究的一位作者、新罕布什爾大學空間科學家Harlan Spence認為，要想完全區分這兩種加速模式，需要專門為其設計衛星。

　　2012年8月，NASA的范艾倫輻射探測器的發射大大縮小了數據差距——這是兩顆相同的衛星，它們會同時從不同位置和角度對輻射帶進行觀測。同年10 月初，在太陽風暴耗盡輻射帶最外層大多數電子的一周后，兩個探測器記錄了電子密度在不到12小時里有將近1000倍的激增。Spence稱，兩顆衛星的觀測結果支持輻射帶內的電場加速電子的說法。

　　“從這一次事件中，我們就能夠真正區分粒子被加速的不同方法。”Spence稱，“輻射帶是太空時代的第一個發現，而通過范艾倫輻射探測器了解該過程的核心令人非常興奮。”

　　得克薩斯州西南研究院的空間物理學家David McComas評論稱，該觀測結果“清楚地說明了大量粒子加速可以在輻射帶中心位置發生”。

　　Spence認為，輻射帶中一些電磁波頻率與電子在附近磁場運行的頻率吻合，這樣的同步使帶電粒子的加速變得容易。

　　McComas表示，高能粒子原地加速是一個普遍的物理過程。“因此如果它發生在地球范艾倫輻射帶的中心位置，它也可能在木星和土星，甚至是太陽系之外磁化恒星的行星周圍更強烈的輻射帶中發生。”