利用欧洲航天局星系团任务中前所未有的现场数据，科学家们揭示了地球抵御宇宙辐射的盾牌（弓形激波）不断变化的本质，揭示了这种粒子加速器如何在整个空间中传输和重新分配能量。这项新研究使用了星团任务中四艘飞船中的两艘观测数据。这四艘飞船以紧密的队形穿过地球的弓形激波，相距仅7公里。这些数据收集于2015年1月24日，距离地球9万公里，大约是到月球的四分之一，它们揭示了由于缺乏如此紧密的原位测量，以前不清楚的弓形激波的性质。当超音速流动遇到障碍物时，就会形成激波。这种现象在恒星、超新星残骸、彗星和行星(包括我们自己的行星)周围的宇宙中很常见。
博科园-科学科谱：众所周知，冲击波是一种非常有效的粒子加速器，它有可能创造出宇宙中最具能量的粒子。环绕地球的激波，被称为弓形激波，是地球抵御来自宇宙的粒子涌入的第一道防线，也是我们研究等离子体激波动力学最近的试验台。它的存在是由于太阳风粒子的高速超音速，这就产生了一种类似于飞机冲破声速屏障时所形成的冲击波现象。
2019年2月28日发表在《科学进展》(Science Advances)期刊上的这项新研究揭示了这种冲击波将能量从一种类型转移到另一种类型的机制。瑞典乌普萨拉瑞典空间物理研究所的首席作者Andrew Dimmock说：地球弓形激波是一个自然和理想的激波实验室。
宇宙冲击，图片：ESA (Earth magnetosphere illustration); NASA, ESA/Hubble
多亏了Cluster这样的任务，我们能够在它内部和周围放置多个航天器，覆盖范围从数百公里到只有几公里。这意味着我们可以分辨出冲击波在空间和时间上是如何变化的，这在描述这种类型冲击波时是至关重要的。有几种类型的冲击，其定义是它们将动能转化为其他类型的能量方式。在地球的大气层中，当粒子相互碰撞时动能就会转化为热能——但是在我们星球弓形激波中所起的巨大作用意味着粒子碰撞不能在那里的能量传递中起这样的作用，因为它们之间的距离实在太远了。这种类型的冲击因此被称为无碰撞冲击。这种冲击可以存在于从毫米到星系团大小的各种尺度上，并通过等离子体波、电场和磁场等过程来转移能量。
地球弓形激波中的子结构，图片：ESA; Data: A. Dimmock et al. (2019)
合著者、英国谢菲尔德大学的迈克尔•巴利欣说：除了无碰撞，地球的弓形激波也可以是非静止的。在某种程度上，它的行为就像海里的波浪：当波浪接近海滩时，随着深度减小，它的体积似乎会增大，直到破裂——这是因为波浪的波峰比波谷移动得快，导致它折叠和破裂。这种‘断裂’也会发生在等离子体的波上，尽管物理学上要复杂一些。为了详细研究这种波破裂的物理尺度（这在以前是未知的）研究人员发起了一场特别的运动，将四个簇状探头中的两个移动到距离小于7公里的地方，从冲击波内部收集高分辨率数据。
地球弓形激波中的子结构，图片：A. Dimmock et al. (2019)
分析数据后，研究小组发现，两个星系团航天器所获得的磁场测量值有很大差别。这一直接证据表明，在弓形激波的更广泛范围内存在着小规模的磁场结构，这表明它们在促进等离子体波的破裂，从而在磁层的这部分能量转移方面起着关键作用。
这些结构的大小只有几公里，类似于电子绕着磁场线旋转的尺度，它们位于激波中一个特别薄且可变的区域，在这个区域中，组成等离子体和周围场的性质可以发生最剧烈变化。欧洲航天局星团任务的项目科学家，该研究的合著者菲利普•埃斯库贝特说：弓形激波的这部分被称为激波斜坡，可以薄到几公里——这一发现也是基于几年前的星团数据。
Cluster公司于2000年发射的4艘宇宙飞船编队绕地球飞行，使其成为首个能够在三维空间研究地球磁场环境内部和附近发生的物理过程的太空任务。这种研究确实显示了集群作为一种使命的重要性，通过实现令人难以置信的小型航天器分离——本研究中使用的距离为7公里，甚至更小，只有3公里——星系团使我们能够以有史以来最小的规模探测地球的磁场环境。这提高了我们对地球弓形激波及其作为一个巨大粒子加速器的作用的理解——这是我们了解高能宇宙的关键。
博科园-科学科普｜研究/来自: ESA
参考期刊文献:《Science Advances》
DOI: 10.1126/sciadv.aau9926
发表于 2019-4-27 08:35
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