科学家发现接近地球的电子可以达到几乎光速

颜色轮廓显示了辐射带的强度。灰线显示了辐射带中相对论电子的轨迹。同心圆线表示科学卫星在太空中穿越这一危险区域的轨迹。

新的研究发现，当空间中没有等离子体时，在磁层中非常特殊的条件下，电子可以达到超相对论能量。

NASA的Van Allen Probes航天器最近进行的测量表明，电子可以达到以光速飞行的超相对论能量。Hayley Allison，Yuri Shprits和德国地球科学研究中心的合作者已经揭示出在这种情况下会发生如此强烈的加速。他们已经在2020年证明，在太阳风暴期间等离子波起着至关重要的作用。但是，以前尚不清楚为什么在所有太阳风暴中都无法获得如此高的电子能量。现在，在科学进展杂志上，Allison，Shprits及其同事表明，极端耗尽本底血浆密度至关重要。

太空中的超相对论电子

在超相对论能量下，电子几乎以光速运动。然后，相对定律变得最重要。粒子的质量增加了十倍，时间变慢了，距离减小了。在如此高的能量下，带电粒子甚至对受到最佳保护的卫星也变得最危险。由于几乎没有屏蔽可以阻止它们，它们的电荷会破坏敏感的电子设备。因此，预测它们的发生（例如，作为在GFZ进行的太空天气观测的一部分），对于现代基础设施非常重要。

为了研究电子巨大加速的条件，艾里森和施普里特使用了美国宇航局于2012年发射的双任务“范艾伦探测器”的数据。目的是在辐射带（即所谓的范艾伦带）上进行详细测量，该辐射带在陆地空间中以甜甜圈形状围绕地球。与空间的其余部分一样，这里带正电和带负电的粒子的混合物形成所谓的等离子体。等离子体波可以理解为由太阳风暴激发的电场和磁场的波动。它们是电子加速的重要驱动力。

机器学习进行数据分析

在执行任务期间，观察到产生超相对论性电子的太阳风暴和没有这种影响的风暴。事实证明，背景等离子体的密度是强加速的决定性因素：只有当等离子体密度降至非常低的值（每立方厘米仅约十个粒子）时，才观察到具有超相对论能量的电子会增加。这样的密度要高五到十倍。

使用包含这种极端等离子体耗竭的数值模型，作者表明，低密度周期为电子加速创造了优先条件-从最初的几十万个电子伏特提高到超过七百万个电子伏特。为了分析Van Allen探针的数据，研究人员使用了机器学习方法，该方法的开发由GEO.X网络资助。他们使作者能够从测得的电场和磁场波动中推断出总等离子体密度。

血浆的关键作用

“这项研究表明，如果等离子环境的条件（等离子波和暂时性的低等离子密度）正确的话，地球辐射带中的电子可以迅速地局部加速为超相对论能量。可以将这些粒子视为在等离子体波上冲浪。在等离子体密度极低的区域，它们仅能从等离子体波中吸收大量能量。GFZ空间物理与空间天气学系负责人，波茨坦大学教授Yuri Shprits说，类似的机制可能在诸如木星或土星等外行星的磁层以及其他天体物体中起作用。

“因此，要达到如此高的能量，就不需要长期进行两阶段的加速过程-首先是从磁层的外部区域进入皮带，然后再从内部进行。这也支持了我们去年的研究成果。” PostDoc的“空间物理学与空间天气”部分的Hayley Allison补充说。

参考：Hayley J. Allison，Yuri Y. Shprits，Irina S. Zhelavskaya，Dedong Wang和Artem G. Smirnov在2021年1月29日发表的“范艾伦辐射带中等离子体密度的极端耗尽期间与回旋波的回旋波波相互作用”，科学进展。DOI：
10.1126 / sciadv.abc0380