科学家发现范艾伦带能够加速粒子而非捕获粒子

美国宇航局的范艾伦辐射探测器证实，在太阳风暴后不久，范艾伦辐射带可以自行加速电子。照片来源:艺术家的印象JHU/美国公共图书馆

高速粒子以两个同心圆围绕地球运行的秘密终于被揭开了——在它们被发现55年后。这两个同心圆被称为范艾伦辐射带。美国宇航局的两个探测器发现，范艾伦辐射带负责加速粒子，而不是从其他地方收集高能粒子。太空科学家相信，他们的最新发现也可以解释土星和木星周围的高能辐射带，以及太阳系外的高能辐射，甚至一些类似太阳的恒星。

1958年，太空科学家詹姆斯·范·艾伦和他的同事确定了辐射区。几年后，研究人员得出结论，这些同心圆中的电子来自地球遥远的磁气圈(受地球磁场控制)。他们认为，随着这些粒子越来越靠近地球，遇到更强的磁场，它们会加速并进入一个圆形轨道。

然而，这种形式的加速需要几天到几周的时间，这最好地描述了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变化更快。因此，一个关于辐射带电子源的竞争理论开始生效:带电粒子不是来自很远的地方，而是在原地产生的——辐射带中的电场从*原子获得电子，并将它们加速到接近光速。这一过程将在几秒钟到几个小时内改变辐射带的能量，这更符合20世纪90年代的观测结果。

然而，卫星观测的范围仍然过于稀疏，卫星的设计并不是为了观测不同位置辐射带的快速变化特征。新罕布什尔大学的空间科学家、该研究的作者哈兰·斯宾塞认为，为了完全区分这两种加速模式，卫星需要专门为它们设计。

2012年8月，美国宇航局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，可以从不同的位置和角度同时观察辐射带。同年10月初，在太阳风暴耗尽辐射带最外层的大多数电子一周后，两个探测器记录到在不到12小时内电子密度增加了近1000倍。斯宾塞说，两颗卫星的观测结果支持了辐射带中的电场加速电子的说法。

"从这一事件中，我们可以真正区分粒子加速的不同方式."斯宾塞说，“辐射带是太空时代的第一个发现，通过范艾伦辐射探测器了解这一过程的核心非常令人兴奋。”

西南德克萨斯研究所的空间物理学家大卫·麦考马斯评论说，这一观察“清楚地表明，大粒子加速可能发生在辐射带的中心”。

斯宾塞认为，辐射带中某些电磁波的频率与附近磁场中电子的频率一致。这种同步有利于带电粒子的加速。

麦科马斯说，高能粒子的原位加速是一个常见的物理过程。因此，如果它发生在地球上范艾伦辐射带的中心，它也可能发生在木星和土星周围更强的辐射带，甚至是磁化太阳系外恒星的行星(米妮)

《中国科学日报》(2013年7月31日，第二版国际版)