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科學家提出宇宙粒子加速器新模型,解釋電子如何達到相對論能量水平

2025-01-16 01:35:00 來源: 科技日報 點擊數:

科技日報記者 張夢然

科學家在理解宇宙中無碰撞沖擊波如何將粒子加速至極高能級方面,取得了重要進展。這項13日發表在《自然·通訊》上的研究,結合了美國國家航空航天局(NASA)的磁層多尺度任務(MMS)、阿爾忒彌斯任務的衛星觀測數據與最新理論研究成果,提出了一種新的綜合模型,用于解釋宇宙中最強大的天然粒子加速器。

該研究解決了天體物理學領域內一個長期存在的難題:即電子是如何達到極高,甚至是相對論能量水平的。費米加速或擴散沖擊加速(DSA)是解釋這一過程的主要機制,但要使DSA起作用,電子首先需要被激發到一定的閾值能量,這就是所謂的“注入問題”。

新模型提出,在多種加速機制復雜交互作用下,電子可跨越多個尺度的過程得到加速。研究人員利用MMS任務和阿爾忒彌斯任務的實測數據,觀察到了2017年12月17日在地球弓形激波上游發生的一種大規模且瞬態的現象。在此事件中,太陽風因與弓形激波相互作用而受到預先干擾的區域——即激波前區的電子,達到了超過500keV(千電子伏特)的能量水平,遠高于通常觀察到的大約1keV的能量水平。

研究顯示,高能電子是由電子與等離子波、激波前區的瞬態結構以及弓形激波本身的互動,共同作用的結果。所有這些因素加在一起,將電子從低能量狀態提升到高達500keV的相對論能量,從而形成了高效的電子加速過程。

該成果改進了人們對沖擊加速的理解,并為研究空間等離子體物理提供了新見解。

總編輯圈點:

宇宙能量轉移由誰來控制?本文的成果,就在推進人們對宇宙中“天然粒子加速器”運作原理的理解,同時也為解釋高能宇宙射線起源開辟了新途徑。這一突破對于未來探索星際介質、星系演化以及設計人工粒子加速器具有深遠意義。同時,新模型也向人們展示了空間等離子體物理現象的復雜性,而我們對這一領域的認知依然有限。

責任編輯:常麗君

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