科学家们发现了靠近地球的电子是如何达到几乎光速的

范艾伦辐射带中的电子

彩色的轮廓显示辐射带的强度。灰线表示辐射带中相对论性电子的轨迹。同心圆线显示了科学卫星在太空中穿越这一危险区域的轨迹。来源:Ingo Michaelis和Yuri Shprits, GFZ

新的研究发现,当空间缺乏磁层时,电子可以在非常特殊的条件下达到超相对论能量等离子体

最近的测量美国国家航空航天局美国宇航局的范艾伦探测器宇宙飞船显示,电子可以以几乎光速飞行,达到超相对论能量。Hayley Allison、Yuri Shprits和来自德国地球科学研究中心的合作者揭示了这种强烈的加速是在什么条件下发生的。他们已经在2020年证明了在太阳风暴中等离子体波起着至关重要的作用。然而,以前人们并不清楚为什么不是所有的太阳风暴都能获得如此高的电子能量。在《科学的进步艾利森、Shprits和他的同事们现在证明了背景等离子体密度的极端耗竭是至关重要的。

空间中的超相对论电子

在超相对论能量下,电子几乎以光速运动。然后相对论就变得最重要了。粒子的质量增加十倍,时间变慢,距离变小。在如此高的能量下,带电粒子甚至对保护最好的卫星来说都是最危险的。由于几乎没有任何屏蔽能阻止它们,它们的电荷可以破坏敏感的电子设备。因此,预测它们的发生——例如,作为在GFZ进行的空间天气观测的一部分——对现代基础设施非常重要。

为了研究电子的巨大加速的条件,艾莉森和Shprits使用了来自美国宇航局于2012年发射的“范艾伦探测器”的数据。其目的是在辐射带,也就是所谓的范艾伦辐射带中进行详细的测量。范艾伦辐射带在地球空间中呈甜甜圈状包围着地球。在这里——就像在太空的其他地方一样——带正电荷和带负电荷的粒子的混合物形成了所谓的等离子体。等离子体波可以理解为太阳风暴引起的电场和磁场的波动。它们是电子加速的重要驱动力。

利用机器学习进行数据分析

在这次任务中,观测到了产生超相对论电子的太阳风暴和没有这种影响的太阳风暴。背景等离子体的密度是一个强大的加速度的决定性因素:电子与ultra-relativistic能量只观察到增加时,等离子体密度下降到非常低的值只有十个粒子每立方厘米,而通常这种密度高出五到十倍。

利用一个包含了极端等离子体耗竭的数值模型,作者证明了低密度时期为电子加速创造了有利条件——从最初的几十万电子伏特到超过700万电子伏特。为了分析范艾伦探测器的数据,研究人员使用了机器学习方法,该方法的开发得到了GEO的资助。X网络。他们使作者能够从测量到的电场和磁场的波动中推断出等离子体的总密度。

等离子体的关键作用

“这项研究表明,如果等离子体环境的条件——等离子体波和暂时的低等离子体密度——正确的话,地球辐射带中的电子可以局部加速到超相对论能量。”这些粒子可以看作是在等离子体波上冲浪。在等离子体密度极低的区域,它们可以从等离子体波中获取大量能量。类似的机制可能在外行星的磁层中起作用,例如木星土星以及其他天体”,GFZ空间物理和空间天气部门负责人、波茨坦大学教授尤里·施皮茨说。

“因此,要达到这样的极端能量,不需要两个阶段的加速过程,正如长期以来所假定的那样——首先从磁层的外部区域进入磁带,然后进入内部。这也支持了我们去年的研究结果,”太空物理和太空天气部门的博士后Hayley Allison补充道。

参考:Hayley J. Allison, Yuri Y. Shprits, Irina S. Zhelavskaya, Dedong Wang and Artem G. Smirnov, 2021年1月29日科学的进步
DOI: 10.1126 / sciadv.abc0380

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