电子可以加速到接近光速,前提条件是等离子体密度较低时
简介:在一场完美的太阳风暴的漩涡中,电子会被困在地球附近,在那里电子可以加速到接近光速。这些电子是通过在被称
在一场完美的太阳风暴的漩涡中,电子会被困在地球附近,在那里电子可以加速到接近光速。
这些电子是通过在被称为“等离子体”的过热,带电的气体浪中冲浪而获得的。不过,根据波茨坦GFZ德国地球科学中心研究人员领导的一项新研究,它们只有在等离子体密度较低时才加速至近光速度。
这一发现很重要,因为如此快的电子传播对卫星和其他电子设备特别危险。它们可以穿透屏蔽层,从而保护卫星免受太阳风暴中其他带电粒子的伤害,从而损坏敏感组件。
这种现象发生在两条Van Allen辐射带上,这两个辐射带是带电粒子的圈,以地球周围的一种甜甜圈形状捕获。这些安全带延伸到地球表面上方约400英里至36,000英里(640至58,000千米)以上,保护我们的星球免受来自太阳的带电粒子的伤害。但是它们还以不完全了解的方式对太阳风暴做出反应。2012年,NASA发射了两个Van Allen Probes,在这个神秘的近太空区域进行测量。探针以“超相对论能量”检测电子,换句话说,它们以接近光速的速度传播。
研究人员不确定电子如何变得如此高能。一些人认为电子必须分两个阶段进行加速,首先是从皮带外部的旅程,然后又是皮带内部的旅程。但Van Allen Probes的新数据发现不需要两个阶段。取而代之的是,电子的速度与太阳风暴期间等离子体的背景水平密度有关。
研究合著者尤里·史普里茨(Yuri Shprits)表示:“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立即被局部加速为超相对论能量。” GFZ波茨坦的太空物理学家在一份声明中说。
通常,范艾伦带内的等离子体密度可能在每立方厘米50到100个粒子之间。但是,当密度降至每立方厘米少于10个粒子时,电子可以从称为“合唱波”的电磁波中吸收能量,从而将其动能从几十万电子伏特提高到700万电子伏特。(相比之下,CERN直到2020年使用的线性加速器最多可将质子加速至5000万电子伏特。)研究人员已经怀疑合唱波可能是加速电子的罪魁祸首,但此前并未意识到只有在等离子体下才能发生这种情况。密度是如此之低。低密度似乎允许更有效地将能量从波传递到电子。
研究人员在1月29日发表的论文中写道:这些密度下降并不经常发生。他们补充说:“在2015年进行观察时,正确的条件仅出现了很少的次数。”研究人员写道:这些极端条件可能与范艾伦带的长期对流有关,即当更热、更轻的物质上升而密度更大、更冷的物质下沉时,但需要更多的研究来找出等离子体偶尔变薄的原因。
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