德国亥姆霍兹研究中心协会 彩色轮廓显示了辐射带的强度
灰色线条显示辐射带中相对论电子的轨迹
同心圆线显示了科学卫星穿越太空中这个危险区域的轨迹
荣誉:英戈·米切里斯和尤里·施普里茨，GFZ 一项新的研究发现，当太空中没有等离子体时，电子可以在磁层的非常特殊的条件下达到超相对论能量
美国国家航空航天局的范艾伦探测器最近的测量表明，电子可以以几乎光速的速度达到超相对论能量
德国地球科学研究中心的海莉·艾利森、尤里·施普里茨及其合作者揭示了这种强加速度发生的条件
他们已经在2020年证明，在太阳风暴期间，等离子体波在其中扮演了重要角色
然而，以前并不清楚为什么在所有的太阳风暴中都没有达到如此高的电子能量
在《科学进展》杂志上，艾莉森、施普里茨和他的同事们现在表明，背景等离子体密度的极度消耗至关重要
空间中的超相对论电子 在超相对论能量下，电子几乎以光速运动
然后相对论变得最重要
粒子的质量增加了十倍，时间变慢了，距离变小了
在如此高的能量下，带电粒子对即使是最好保护的卫星也变得非常危险
由于几乎没有屏蔽可以阻止它们，它们的电荷可以摧毁敏感的电子设备
因此，预测它们的发生——例如，作为在GFZ进行的空间天气观测的一部分——对现代基础设施非常重要
为了研究电子巨大加速度的条件，艾莉森和施普里茨使用了美国航天局(NASA)在2012年发射的范艾伦探测器(Van Allen Projects)这一双重任务的数据。
其目的是在辐射带，即所谓的范艾伦带，进行详细的测量，该辐射带在地球空间呈环形环绕地球
在这里——就像在其他空间一样——正负带电粒子的混合物形成了所谓的等离子体
等离子体波可以理解为太阳风暴激发的电场和磁场的波动
它们是电子加速的重要驱动力
用机器学习进行数据分析 在这次任务中，观察到了产生超相对论电子的太阳风暴和没有这种效应的风暴
背景等离子体的密度被证明是强加速的决定性因素:只有当等离子体密度下降到非常低的值，只有每立方厘米大约十个粒子时，才观察到具有超相对论能量的电子增加，而通常这种密度要高五到十倍
作者使用一个包含这种极端等离子体耗尽的数值模型，表明低密度时期为电子加速创造了优先条件——从最初的几十万电子伏到超过700万电子伏
为了分析来自范艾伦探测器的数据，研究人员使用了机器学习方法，该方法的开发是由地球观测组织资助的
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他们使作者能够从测量的电场和磁场波动中推断出总的等离子体密度
血浆的关键作用 “这项研究表明，如果等离子体环境的条件——等离子体波和暂时的低等离子体密度——是正确的，地球辐射带中的电子可以被迅速地局部加速到超相对论能量
这些粒子可以被视为在等离子体波上冲浪
在极低等离子体密度的区域，它们可以从等离子体波中获取大量能量
类似的机制可能在木星或土星等外行星的磁层以及其他天体物理学物体中发挥作用，”GFZ太空物理学和太空气象部门的负责人、波茨坦大学教授尤里·施普里茨说
“因此，要达到这样的极限能量，不需要像长期以来假设的那样，需要两个阶段的加速过程——首先从磁气圈的外部区域进入带内，然后进入内部
这也支持了我们去年的研究成果，”海莉·艾利森补充道，他是空间物理和空间天气部门的博士后
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