NASA新发现将改变电子加速理论 可能影响火星探险计划

在地球大气层中，地球的磁场使来自太阳的超音速粒子发生偏转。这些粒子在刚靠近地球磁场的外部区域时就开始受到干扰，其中一些粒子被反射到湍流区域中，这称为前震。

最近，NASA的THEMIS任务有了新发现——前震区域可以将电子加速到接近光速。虽然研究人员已经在近地空间和宇宙中的许多地方观察到这种极快的粒子，但是它们的加速机制还是一个谜。

NASA的新研究结果拨开了答案的第一层迷雾，同时也发现了更多的问题。新结果表明，电子可以在距离地球更远的区域加速到极高的速度，研究人员不得不重新研究电子加速的原因。这个发现可能会冲击被广泛接受的理论，我们可能不仅可以在地球附近加速电子，而是整个宇宙。这些高能粒子可能会导致设备故障，甚至影响宇航员的生理机能，因此我们很有必要弄清楚这些粒子的加速机理。

该图表示其中一种传统的粒子碰撞加速机制——激波漂移加速。可以看到电子（黄色）和质子（蓝色）在两个高温等离子体气泡的碰撞区域（红色垂直线）移动。蓝绿色箭头表示磁场方向，浅绿色箭头表示电场方向。

文章主要作者Lynn Wilson说：“这个发现几乎影响到高能粒子的所有领域，从宇宙射线研究到太阳耀斑和日冕物质抛射，这些都有可能影响火星探险计划的顺利进行，如损害卫星或影响宇航员的生理机能。

2016年11月14日，该研究结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，描述了粒子如何在地球磁场外的特定区域获得加速。通常认为，朝着地球运动的粒子首先遇到被弓冲击的边界区域，弓冲击是太阳和地球之间的保护屏障。弓冲击中的磁场使粒子减速，导致大部分粒子发生偏转并离开地球，一些被反射回太阳。这些发生偏转的电子和粒子形成前震区。

有一部分电子和离子具有很高的能量，在前震区中快速移动。一直以来，科学家们认为这些粒子获得高能量的方式是，通过在弓冲击区域来回碰撞，从每次碰撞中获得额外的能量。然而，新的观察表明粒子也可以在前震区通过电磁效应获得能量。

这一发现来自于NASA 的THEMIS任务（Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms的缩写，即亚暴中的事件时间关系曲线图与宏观交互作用）。5个THEMIS卫星绕着地球盘旋，研究地球的磁气圈捕获和释放太阳风能的原理，以了解地磁亚暴如何影响极光活动。实际上，THEMIS的主要任务于2010年成功完成，现有两颗卫星仍在月球轨道收集数据。导致这一重大发现的原因在于THEMIS卫星轨道穿过前震区边界。

该可视化视频表示其中一种传统的粒子碰撞加速机制——称为激波漂移加速。可以看到电子（黄色）和质子（蓝色）在两个高温等离子体气泡的碰撞区域（红色垂直线）移动。蓝绿色箭头表示磁场方向，浅绿色箭头表示电场方向。

在太阳和地球之间运行期间，这些卫星发现了具有极高能量的粒子。所观察到的加速过程持续不到一分钟，但远远高于该区域中粒子的平均能量，并且远超出了碰撞理论计算的结果。同时，Wind和STEREO航天器的同步观测结果显示，该区域没有受到太阳射电爆发或行星际激波的影响，因此这些高能电子不是源自太阳活动。

“这是一个非常出乎意料的发现，我们在被认为不可能存在高能电子的地方观察到了高能电子，而且目前还没有找到合适的模型来解释它”，论文共同作者David Sibeck（美国宇航局戈达德THEMIS项目科学家）说，“我们知道的还不够全面，有些基本的东西还没弄明白”。

和以前所料想的一样，电子能量也不可能源自弓激波。如果电子在弓激波中加速，那么应该存在优选的运动方向和位置，如运动方向与磁场一致，并在远离弓激波的特定小区域中移动。然而，观察结果表明电子的运动是杂乱无章的，而不仅仅是沿着磁场线移动。此外，弓激波所能提供的能量，约仅占所观察到的电子能量的十分之一。换而言之，NASA的发现表明前震区域才是电子加速的关键所在。

研究人员在前震区域观察高能粒子已经50多年了，但一直没有人看到来自前震区域的高能电子。部分原因是电子的加速时间短，以前的观察每几分钟做一次记录，这可能隐藏了很多真相。而THEMIS收集观察结果的速度更快，使其有机会观察到这些高能粒子。

接下来，研究人员打算从THEMIS收集更多的观察结果，以确定电子加速背后的具体机制。