太空塵埃衝擊航天器放射無線電波的原理

宇宙飛船和衛星在太空中運動時會遇到微小的、快速移動的太空塵埃和碎片。當這些粒子移動得足夠快，就會以無線電波的形式放射電磁輻射，可能會對飛船的電子系統造成影響。

在一項發表在等離子體物理雜誌上的文章中，研究者利用計算機模擬證實這些粒子的衝擊產生的等離子體雲是電磁脈衝的根源。計算機模擬顯示隨著等離子體在真空中擴散，離子和電子以不同的速度分開運動，產生了無線電波。

宇宙飛船超載雞。credit: 煎蛋畫師六翼

第一作者、波士頓大學空間物理中心博士後研究員Alex Fletcher說道：「過去幾十年里，研究者已經對超高速衝擊進行了研究，注意到當粒子運動得足夠快速的時候會有輻射產生。此前沒有人能解釋這是為什麼，從何而來，其中的物理機制是什麼。」

該研究是驗證資深作者Sigrid Close的理論的第一步。Close是斯坦福大學的航空航天副教授，2010年與同事發表了一個假說，認為超高速衝擊的等離子體是某些衛星失靈的禍因。

為了模擬超高速衝擊等離子體的影響，研究者利用質點網格模擬方法同時對等離子體和電磁場建模。利用先前開發的衝擊下的流體和固體動力學計算程序進行模擬，令其演變，計算等離子體產生的輻射。

credit: 123RF

當粒子高速衝擊堅硬表面時，會將目標蒸發並離子化，釋放出塵埃、氣體和等離子體雲。隨著等離子體向周圍的真空擴散，密度降低並達到無碰撞的狀態，其中的粒子不再直接相互作用。

在該研究中，研究者假設在無碰撞等離子體中的電子比更大的離子運動得更快，模擬實驗預計這種大規模電荷分離會產生輻射。這一模型的結果與Close最初的理論一致，但預測的無線電頻率比在實驗中檢測到的更高。

作者指出需要進一步檢驗電子整體與離子分離這一假設。研究團隊正在設計新的模擬實驗測試無碰撞狀態的轉變是否足以引起這種分離。

Fletcher還解釋道他們忽略了塵埃。「這種衝擊產生了與等離子體相互作用的塵埃，這些『塵埃等離子體』也是下一步的研究方向。」

研究工作的下一步是利用該模擬程序量化產生的輻射，以評估對衛星的威脅程度，並設計方法保護衛星和飛船。

Fletcher說道：「超過一半的電氣故障都無法解釋，因為難以診斷軌道上的衛星的故障原因。我們認為其中某些故障可能就是由此導致的。」

論文原文：DOI: 10.1063/1.4980833

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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