天空中的巨型粒子加速器——范艾伦辐射带中的极高能量电子

　　地球磁场正在捕获高能粒子。当第一颗卫星被发射到太空时，以詹姆斯·范·艾伦为首的科学家意外地发现了高能粒子辐射区，该辐射区后来以其发现者范艾伦辐射带的名字命名。从视觉上看，这些看起来像是围绕着我们星球的两个环形区域。

　　现在，由GFZ德国地球科学研究中心的研究人员领导的一项新研究表明，辐射带中的电子可以局部加速到非常高的速度。这项研究表明，磁层作为一个非常有效的粒子加速器，将电子加速到所谓的超相对论能量。这项研究由GFZ波茨坦大学博士后海莉·艾利森和来自GFZ的波茨坦大学教授尤里·施普里茨进行，发表在《自然通讯》上。

　　为了更好地了解范艾伦带的起源，美国国家航空航天局于2012年发射了范艾伦探测器双航天器，以穿越这一最恶劣的环境，并在这一危险区域进行详细测量。测量包括以不同速度和不同方向运动的全部粒子和等离子体波。等离子体波类似于我们在水面上看到的波，但实际上是肉眼看不见的。它们可以比作电场和磁场中的波纹。

　　最近的观察表明，带中电子的能量可以达到所谓的超相对论能量。这些温度超过1000亿华氏度的电子移动得如此之快，以至于它们的运动能量远远高于爱因斯坦著名的E=mc2公式给出的静止能量。它们如此之快，以至于这些粒子的时间流动明显变慢。

　　科学家们惊讶地发现了这些超相对论电子，并假设只有通过两个过程的结合才能达到如此高的能量:粒子从磁层外部区域的向内传输，这加速了它们；以及等离子体波对粒子的局部加速。

　　然而，新的研究表明，通过从等离子体波中获取所有这些能量，电子在带的中心局部达到了如此难以置信的能量。这个过程被证明是极其有效的。粒子加速到超相对论能量是如何在近地空间运行的这一意外发现，可能有助于科学家理解太阳、外层行星附近，甚至宇宙中太空探测器无法到达的遥远角落的加速基本过程。