利用歐洲航天局星系團(tuán)任務(wù)中前所未有的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，科學(xué)家們揭示了地球抵御宇宙輻射的盾牌（弓形激波）不斷變化的本質(zhì)，揭示了這種粒子加速器如何在整個(gè)空間中傳輸和重新分配能量。這項(xiàng)新研究使用了星團(tuán)任務(wù)中四艘飛船中的兩艘觀測(cè)數(shù)據(jù)。

這四艘飛船以緊密的隊(duì)形穿過(guò)地球的弓形激波，相距僅7公里。這些數(shù)據(jù)收集于2015年1月24日，距離地球9萬(wàn)公里，大約是到月球的四分之一，它們揭示了由于缺乏如此緊密的原位測(cè)量，以前不清楚的弓形激波的性質(zhì)。當(dāng)超音速流動(dòng)遇到障礙物時(shí)，就會(huì)形成激波。這種現(xiàn)象在恒星、超新星殘骸、彗星和行星(包括我們自己的行星)周圍的宇宙中很常見(jiàn)。

博科園-科學(xué)科譜：眾所周知，沖擊波是一種非常有效的粒子加速器，它有可能創(chuàng)造出宇宙中最具能量的粒子。環(huán)繞地球的激波，被稱為弓形激波，是地球抵御來(lái)自宇宙的粒子涌入的第一道防線，也是我們研究等離子體激波動(dòng)力學(xué)最近的試驗(yàn)臺(tái)。它的存在是由于太陽(yáng)風(fēng)粒子的高速超音速，這就產(chǎn)生了一種類似于飛機(jī)沖破聲速屏障時(shí)所形成的沖擊波現(xiàn)象。2019年2月28日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)期刊上的這項(xiàng)新研究揭示了這種沖擊波將能量從一種類型轉(zhuǎn)移到另一種類型的機(jī)制。瑞典烏普薩拉瑞典空間物理研究所的首席作者Andrew Dimmock說(shuō)：地球弓形激波是一個(gè)自然和理想的激波實(shí)驗(yàn)室。

多虧了Cluster這樣的任務(wù)，我們能夠在它內(nèi)部和周圍放置多個(gè)航天器，覆蓋范圍從數(shù)百公里到只有幾公里。這意味著我們可以分辨出沖擊波在空間和時(shí)間上是如何變化的，這在描述這種類型沖擊波時(shí)是至關(guān)重要的。有幾種類型的沖擊，其定義是它們將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他類型的能量方式。在地球的大氣層中，當(dāng)粒子相互碰撞時(shí)動(dòng)能就會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能——但是在我們星球弓形激波中所起的巨大作用意味著粒子碰撞不能在那里的能量傳遞中起這樣的作用，因?yàn)樗鼈冎g的距離實(shí)在太遠(yuǎn)了。這種類型的沖擊因此被稱為無(wú)碰撞沖擊。這種沖擊可以存在于從毫米到星系團(tuán)大小的各種尺度上，并通過(guò)等離子體波、電場(chǎng)和磁場(chǎng)等過(guò)程來(lái)轉(zhuǎn)移能量。

合著者、英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的邁克爾?巴利欣說(shuō)：除了無(wú)碰撞，地球的弓形激波也可以是非靜止的。在某種程度上，它的行為就像海里的波浪：當(dāng)波浪接近海灘時(shí)，隨著深度減小，它的體積似乎會(huì)增大，直到破裂——這是因?yàn)椴ɡ说牟ǚ灞炔ü纫苿?dòng)得快，導(dǎo)致它折疊和破裂。這種‘?dāng)嗔选矔?huì)發(fā)生在等離子體的波上，盡管物理學(xué)上要復(fù)雜一些。為了詳細(xì)研究這種波破裂的物理尺度（這在以前是未知的）研究人員發(fā)起了一場(chǎng)特別的運(yùn)動(dòng)，將四個(gè)簇狀探頭中的兩個(gè)移動(dòng)到距離小于7公里的地方，從沖擊波內(nèi)部收集高分辨率數(shù)據(jù)。

分析數(shù)據(jù)后，研究小組發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)星系團(tuán)航天器所獲得的磁場(chǎng)測(cè)量值有很大差別。這一直接證據(jù)表明，在弓形激波的更廣泛范圍內(nèi)存在著小規(guī)模的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，這表明它們?cè)诖龠M(jìn)等離子體波的破裂，從而在磁層的這部分能量轉(zhuǎn)移方面起著關(guān)鍵作用。這些結(jié)構(gòu)的大小只有幾公里，類似于電子繞著磁場(chǎng)線旋轉(zhuǎn)的尺度，它們位于激波中一個(gè)特別薄且可變的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中，組成等離子體和周圍場(chǎng)的性質(zhì)可以發(fā)生最劇烈變化。歐洲航天局星團(tuán)任務(wù)的項(xiàng)目科學(xué)家，該研究的合著者菲利普?埃斯庫(kù)貝特說(shuō)：弓形激波的這部分被稱為激波斜坡，可以薄到幾公里——這一發(fā)現(xiàn)也是基于幾年前的星團(tuán)數(shù)據(jù)。

Cluster公司于2000年發(fā)射的4艘宇宙飛船編隊(duì)繞地球飛行，使其成為首個(gè)能夠在三維空間研究地球磁場(chǎng)環(huán)境內(nèi)部和附近發(fā)生的物理過(guò)程的太空任務(wù)。這種研究確實(shí)顯示了集群作為一種使命的重要性，通過(guò)實(shí)現(xiàn)令人難以置信的小型航天器分離——本研究中使用的距離為7公里，甚至更小，只有3公里——星系團(tuán)使我們能夠以有史以來(lái)最小的規(guī)模探測(cè)地球的磁場(chǎng)環(huán)境。這提高了我們對(duì)地球弓形激波及其作為一個(gè)巨大粒子加速器的作用的理解——這是我們了解高能宇宙的關(guān)鍵。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自: ESA

參考期刊文獻(xiàn):《Science Advances》

DOI: 10.1126/sciadv.aau9926?

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