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科学家发现范艾伦带能够加速粒子而非捕获粒子 |
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半世纪辐射带之谜一朝得解 |
NASA的范艾伦辐射探测器证实，范艾伦辐射带在太阳风暴过后不久就可以自行加速电子。图片来源： ARTIST’S IMPRESSION JHU/APL
本报讯 高速粒子以两个同心圆的方式环绕地球运行的秘密终于被揭开——这距离其被发现已有55年。这两个同心圆被称为范艾伦辐射带。美国宇航局（NASA）的两个探测器已经发现，范艾伦辐射带负责加速粒子，而不是收集来自其他地方的高能粒子。空间科学家认为，他们的最新发现也可以解释围绕土星和木星运行的能量更高的辐射带，以及太阳系外，甚至是一些类太阳恒星的高能辐射。
1958年，空间科学家詹姆斯·范艾伦和同事确定了该辐射带。几年之后，研究人员推断，这些同心圆中的电子来自遥远的地球磁气圈（由地球磁场所控制）。他们提出，随着这些粒子漂移接近地球，遇到更强的磁场，它们就会加速并进入一个环状的运行轨道。
但是这种形式的加速过程需要几天到几周的时间，从而最好地描述了只随时间逐渐变化的辐射带。20世纪90年代，卫星观测开始显示，范艾伦辐射带的能量和密度在更加迅速地发生变化。于是，关于辐射带电子来源的一个有竞争性的理论开始生效：带电粒子并不是来自远方，而是在原地产生的——辐射带中的电场从游离原子中得到电子，并将其加速至将近光速。该过程会在数秒到数小时的时间里使辐射带的能量发生变化，这一理论与20世纪90年代的观测结果更加吻合。
然而，卫星观测的范围仍然太过稀疏，而且卫星并不是为观测辐射带在不同位置的快速变化特性而设计的。该研究的一位作者、新罕布什尔大学空间科学家Harlan Spence认为，要想完全区分这两种加速模式，需要专门为其设计卫星。
2012年8月，NASA的范艾伦辐射探测器的发射大大缩小了数据差距——这是两颗相同的卫星，它们会同时从不同位置和角度对辐射带进行观测。同年10月初，在太阳风暴耗尽辐射带最外层大多数电子的一周后，两个探测器记录了电子密度在不到12小时里有将近1000倍的激增。Spence称，两颗卫星的观测结果支持辐射带内的电场加速电子的说法。
“从这一次事件中，我们就能够真正区分粒子被加速的不同方法。”Spence称，“辐射带是太空时代的第一个发现，而通过范艾伦辐射探测器了解该过程的核心令人非常兴奋。”
得克萨斯州西南研究院的空间物理学家David McComas评论称，该观测结果“清楚地说明了大量粒子加速可以在辐射带中心位置发生”。
Spence认为，辐射带中一些电磁波频率与电子在附近磁场运行的频率吻合，这样的同步使带电粒子的加速变得容易。
McComas表示，高能粒子原地加速是一个普遍的物理过程。“因此如果它发生在地球范艾伦辐射带的中心位置，它也可能在木星和土星，甚至是太阳系之外磁化恒星的行星周围更强烈的辐射带中发生。”（苗妮）
《中国科学报》 (2013-07-31 第2版 国际)
