科学家们在理解无碰撞冲击波的过程上又向前迈进了一步——这种冲击波存在于宇宙的各个角落——它们能够将粒子加速到极端速度。
科学家们在理解无碰撞冲击波的过程上又向前迈进了一步——这种冲击波存在于宇宙的各个角落——它们能够将粒子加速到极端速度。
这些冲击波是自然界中最强大的粒子加速器之一，长期以来引起了科学家们的兴趣，因为它们在产生宇宙射线（即高能粒子，在太空中跨越巨大距离旅行）的过程中发挥了重要作用。
这项研究今天发表在《自然通讯》上，结合了来自美国国家航空航天局（NASA）MMS（磁层多尺度）和THEMIS/ARTEMIS任务的卫星观测以及最近的理论进展，提供了一个全面的新模型，以解释在无碰撞冲击环境中电子的加速。
论文《通过强化冲击加速揭示意外低的电子注入阈值》由国际学术团队撰写，团队由美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的萨瓦斯·拉普提斯博士领导，并与诺森比亚大学的阿哈德·拉尔提博士合作。
这项研究解决了天体物理学中的一个长期难题——电子如何达到极高或相对论能量水平。
几十年来，科学家们一直试图回答空间物理学中的一个关键问题：哪些过程使电子能够加速到相对论速度？
用来解释电子加速到相对论能量的主要机制称为费米加速或扩散冲击加速（DSA）。然而，这一机制要求电子在通过DSA有效加速之前，首先需要被能量化至特定的阈值能量。试图解决电子如何获得这个初始能量的问题被称为“注入问题”。
这项新研究提供了电子注入问题的关键见解，显示电子可以通过各种过程在多个尺度上相互作用而被加速到高能量。
利用MMS任务的实时数据，该任务测量地球磁层与太阳风的相互作用，以及THEMIS/ARTEMIS任务，该任务研究月球附近的上游等离子体环境，研究团队在2017年12月17日观察到了一个大规模、时变（即瞬态）现象，位于地球弓形冲击波的上游。
在这一事件中，位于地球前喜克区的电子——一个因与弓形冲击波相互作用而预扰动的区域——达到了前所未有的能量水平，超过500 keV。
这一结果非常引人注目，因为在前喜克区观察到的电子通常在能量约为1 keV。
这项研究表明，这些高能电子是由多种加速机制的复杂相互作用产生的，包括电子与各种等离子体波、前喜克区的瞬态结构和地球的弓形冲击波的交互作用。
所有这些机制共同作用，将电子从低能量（约1 keV）加速到相对论能量，达到了观察到的500 keV，从而产生了一个特别有效的电子加速过程。
通过完善冲击加速模型，这项研究为理解太空等离子体的工作原理及宇宙中能量转移的基本过程提供了新的见解。
因此，这项研究为理解宇宙射线的产生打开了新的途径，并提供了一个视角，去了解我们太阳系内的现象如何能引导我们理解整个宇宙中的天体物理过程。
拉普提斯博士认为，研究不同尺度上的现象对于理解自然至关重要。“我们的大部分研究都集中在小尺度效应（如波粒相互作用）或大尺度特性（如太阳风的影响）上，”他说。
“然而，正如我们在这项工作中所展示的，通过结合不同尺度的现象，我们能够观察到它们相互作用的过程，这最终为太空中的粒子带来了能量。”
阿哈德·拉尔提博士补充道：“加深我们对所处宇宙的理解的一种有效方法是利用我们近地的等离子体环境作为自然实验室。
“在这项工作中，我们利用MMS和THEMIS/ARTEMIS的原位观测，展示了不同尺度上不同基本等离子体过程如何协同工作，从低能量激发电子到高相对论能量。”
“这些基本过程并不限于我们的太阳系，预计会在整个宇宙中发生。
“这使得我们提出的框架对更好地理解电子加速到宇宙射线能量在距离我们太阳系若干光年的天体物理结构中，如其他恒星系统、超新星遗迹以及活动星系核等方面具有相关性。”
