NASA新發現將改變電子加速理論，將影響火星計劃

在地球大氣層中，地球的磁場使來自太陽的超音速粒子發生偏轉。這些粒子在剛靠近地球磁場的外部區域時就開始受到干擾，其中一些粒子被反射到湍流區域中，這稱為前震。

最近，NASA的THEMIS任務有了新發現——前震區域可以將電子加速到接近光速。雖然研究人員已經在近地空間和宇宙中的許多地方觀察到這種極快的粒子，但是它們的加速機制還是一個謎。

NASA的新研究結果撥開了答案的第一層迷霧，同時也發現了更多的問題。新結果表明，電子可以在距離地球更遠的區域加速到極高的速度，研究人員不得不重新研究電子加速的原因。這個發現可能會衝擊被廣泛接受的理論，我們可能不僅可以在地球附近加速電子，而是整個宇宙。這些高能粒子可能會導致設備故障，甚至影響宇航員的生理機能，因此我們很有必要弄清楚這些粒子的加速機理。

該圖表示其中一種傳統的粒子碰撞加速機制——激波漂移加速。可以看到電子（黃色）和質子（藍色）在兩個高溫等離子體氣泡的碰撞區域（紅色垂直線）移動。藍綠色箭頭表示磁場方向，淺綠色箭頭表示電場方向。

文章主要作者Lynn Wilson說：「這個發現幾乎影響到高能粒子的所有領域，從宇宙射線研究到太陽耀斑和日冕物質拋射，這些都有可能影響火星探險計劃的順利進行，如損害衛星或影響宇航員的生理機能。

2016年11月14日，該研究結果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，描述了粒子如何在地球磁場外的特定區域獲得加速。通常認為，朝著地球運動的粒子首先遇到被弓衝擊的邊界區域，弓衝擊是太陽和地球之間的保護屏障。弓衝擊中的磁場使粒子減速，導致大部分粒子發生偏轉並離開地球，一些被反射回太陽。這些發生偏轉的電子和粒子形成前震區。

有一部分電子和離子具有很高的能量，在前震區中快速移動。一直以來，科學家們認為這些粒子獲得高能量的方式是，通過在弓衝擊區域來回碰撞，從每次碰撞中獲得額外的能量。然而，新的觀察表明粒子也可以在前震區通過電磁效應獲得能量。

這一發現來自於NASA 的THEMIS任務（Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms的縮寫，即亞暴中的事件時間關係曲線圖與宏觀交互作用）。5個THEMIS衛星繞著地球盤旋，研究地球的磁氣圈捕獲和釋放太陽風能的原理，以了解地磁亞暴如何影響極光活動。實際上，THEMIS的主要任務於2010年成功完成，現有兩顆衛星仍在月球軌道收集數據。導致這一重大發現的原因在於THEMIS衛星軌道穿過前震區邊界。

該可視化視頻表示其中一種傳統的粒子碰撞加速機制——稱為激波漂移加速。可以看到電子（黃色）和質子（藍色）在兩個高溫等離子體氣泡的碰撞區域（紅色垂直線）移動。藍綠色箭頭表示磁場方向，淺綠色箭頭表示電場方向。

在太陽和地球之間運行期間，這些衛星發現了具有極高能量的粒子。所觀察到的加速過程持續不到一分鐘，但遠遠高於該區域中粒子的平均能量，並且遠超出了碰撞理論計算的結果。同時，Wind和STEREO航天器的同步觀測結果顯示，該區域沒有受到太陽射電爆發或行星際激波的影響，因此這些高能電子不是源自太陽活動。

「這是一個非常出乎意料的發現，我們在被認為不可能存在高能電子的地方觀察到了高能電子，而且目前還沒有找到合適的模型來解釋它」，論文共同作者David Sibeck（美國宇航局戈達德THEMIS項目科學家）說，「我們知道的還不夠全面，有些基本的東西還沒弄明白」。

和以前所料想的一樣，電子能量也不可能源自弓激波。如果電子在弓激波中加速，那麼應該存在優選的運動方向和位置，如運動方向與磁場一致，並在遠離弓激波的特定小區域中移動。然而，觀察結果表明電子的運動是雜亂無章的，而不僅僅是沿著磁場線移動。此外，弓激波所能提供的能量，約僅占所觀察到的電子能量的十分之一。換而言之，NASA的發現表明前震區域才是電子加速的關鍵所在。

研究人員在前震區域觀察高能粒子已經50多年了，但一直沒有人看到來自前震區域的高能電子。部分原因是電子的加速時間短，以前的觀察每幾分鐘做一次記錄，這可能隱藏了很多真相。而THEMIS收集觀察結果的速度更快，使其有機會觀察到這些高能粒子。

接下來，研究人員打算從THEMIS收集更多的觀察結果，以確定電子加速背後的具體機制。

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