范艾倫輻射帶形成粒子的「超級加速器」

兩個一組的范艾倫探測器在距離地球較近的外太空輻射帶「巡遊」，它們在輻射帶的中心區域發現了自然生成的「粒子加速器」，超級粒子加速器位於近地太空最苛刻的區域。科學家發現了兩條、或三條粒子活動劇烈的輻射帶，他們將近地太空輻射劇烈的區域稱之為「范艾倫輻射帶」。在范艾倫探測器的幫助下，科學家在范艾倫輻射帶的中心區域發現了「超級加速器」。范艾倫輻射帶中的太空粒子被「類加速器」的磁場效應加速到接近光的速度、或粒子被加速到光速的99%以上。位於輻射帶的加速器如何形成？加速器的「超級能量」從何而來？科學家沒有給出清晰的答案。

從NASA的范艾倫探測器傳回的數據顯示，「超級加速器」的能量來源於輻射帶，太空粒子在輻射帶強大能量的作用下被加速到接近光速，電磁場能量對粒子的衝擊好像人們在盪鞦韆時受到的有節律的人力推動，「盪鞦韆」的高度越來越高，速度越來越快。范艾倫輻射帶內的粒子被「本地能量」推動的過程好像地球颶風的形成，橫掃地面的颶風在「本地能量」的推動下極速成長，海洋區域溫暖的海水形成了颶風的能量。范艾倫輻射帶的能量來源於輻射帶內超強的電磁波、或電磁場的巨大能量驅動帶電粒子的高速運動。

在范艾倫輻射帶內存在電磁場加速器的作用機制，認識輻射帶的特性對改進太空氣象的預報有幫助。近地輻射帶對近地衛星構成了危害，《科學》雜誌發表了范艾倫項目團隊的成果。為了更好地理解范艾倫輻射帶的性質，NASA在2012年8月發射了兩個范艾倫探測器，「深入虎穴」、或直接穿越輻射帶的探測器」攜帶「了最高目標：太空粒子在輻射帶如何被加速到超高速度。輻射帶本地的超高能量形成了對粒子的衝擊力，形成了驅動粒子高速運動的機制，獲得了探測器的「第一手資料」，科學家第一次回答了輻射帶性質的謎題。

范艾倫探測器項目的主要科學家戴維·西貝克解釋說，位於馬里蘭州綠地的NASA戈達德太空飛行中心負責探測衛星的管控，將探測器送達輻射帶的中心，這是發射計劃的預定目標，在輻射帶發現「超級加速器」、理解了它的能量形成機制，這是一項令人期待和振奮的成果。為了證實范艾倫輻射帶的存在，NASA發射了探索者1號和探索者3號，它們是首次發射到近地太空輻射帶的探測器。近地輻射帶對宇宙飛船形成潛在的最大危害，多數太空衛星盡量避開輻射帶的影響，或者在輻射帶的內側運行（靠近地球），或者在輻射帶的外側運行（遠離地球），GPS導航衛星通常飛行在兩個輻射帶之間的軌道。

「太空天氣」變化可能導致輻射帶的膨脹，範圍擴大的輻射帶可能覆蓋原先在輻射帶以外的宇宙飛船，使得飛行器暴露在危險的輻射中，強烈輻射將造成對宇宙飛船永久性損毀，預先警報變得十分重要，科學家開發了預警的防範技術，在理解了輻射帶神秘的動力學機制之後，科學家開發了安全保護技術，免除了飛船和宇航員受到的毀滅性襲擊。

傑夫·里夫斯在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯實驗室開展近地輻射帶的研究，作為發表在《科學》的論文第一作者，他認為在1990年代之前，人們相信近地輻射帶的物理性能相當穩定，輻射帶「行為良好」、「動作規範」、緩慢地發生變化，然而，項目團隊的成果顯示，過去的印象只是一種表象，范艾倫輻射帶絕非「風平浪靜」之地，它的變化之快達到了難以預測的程度，輻射帶的劇烈變化從未達到穩定的平衡，它始終處於持續的變化之中。

輻射帶對由外在物理因素引起的變動沒有表現一致性的特點，比如：太陽風暴對輻射帶的激發作用令人困惑，輻射帶在一些太陽風暴的情形中得到了增強，而在另一些太陽風暴的情形中得到了消弱，有一些太陽風暴似乎沒有對輻射帶產生任何的影響。相似的太陽風暴事件對輻射帶的影響有如此的不同，這說明範艾倫輻射帶比科學家之前的了解更為神秘，在太陽風暴加強了輻射帶強度的情形中，更強的輻射能量如何加速了輻射帶內的太空粒子？這是科學家感興趣的問題。

「雙胞胎」范艾倫探測器區分了兩種法則，一種是徑向加速度的法則，另一種是本地能量的加速度法則，兩種法則可能將粒子運動加速到令人稱奇的程度。在徑向加速度法則的情形中，粒子的運行軌跡與環繞地球的磁場成垂直角度，遠離地球區域的粒子遭遇了低一些的磁場強度；接近地球區域粒子遭遇了高一些的磁場強度，粒子在磁場強度差的作用下遵循物理規律的支配，從低磁場強度運動到高磁場強度的地方，從而產生了加速運動的過程，粒子在朝向地球運動的過程中不斷獲得加速的能量，好像一塊岩石從山坡上滑落下來，山頂的勢能高，山底的勢能低，岩石在勢能差的作用下滑落的速度越來越大。

粒子在本地能量作用下獲得了加速度，物理學家有一種理論假設：粒子在本地能量場獲得的加速效應好像海洋風暴、或颶風的形成，風暴或颶風的能量來源於本地的海水，它們在熱水的海面逐漸形成，向某個方向快速地移動。為了區分在范艾倫輻射帶粒子獲得加速的兩種可能性法則，科學家設計了兩個一組的范艾倫探測器，它們同時測量太空的兩個區域，以感測器來測量粒子的能量、位置和它們與地球磁場形成的運動夾角，通過對兩個探測器的資料進行對比，科學家確定了被加速粒子的能量來源，從徑向加速度和本地能量加速度的兩種法則中選出一種。

2012年10月9日，里夫斯的團隊發現，輻射帶內的一些高能電子出現能量快速增長的過程，如果徑向加速度的法則正確，那麼電子在徑向運動的過程中將首先從遠離地球的低磁場區域出發，到達接近地球的高磁場區域，電子不斷從低能級區域「躍遷」到高能級區域，好像高山峽谷的瀑布從高處衝下低處，「動能」不斷加大的水流最後猛烈地撞擊瀑布之下的水面，好像岩石從山坡上滑落下來，跌落到山谷的岩石獲得了最大的衝擊力。里夫斯的團隊沒有發現徑向加速度的情形，他們沒有看到電子從遠離地球的一端向接近地球的一端移動。電子能量的增強效應發生在輻射帶的正中間，電子向輻射帶的內外兩側同時傳播，好像在海平面形成的颶風。

以一顆衛星探測器穿越輻射帶，只能獲得單一的數據，不能發現其它區域同時性的能量變化，以兩顆衛星探測器穿越輻射帶，科學家能夠觀測輻射帶不同區域同時性的物理變化參數。觀測數據證實了本地能量的加速機制，輻射帶的本地能量是一種電磁場能，輻射帶電磁波能量的增強產生了「超級加速器」的機制。輻射帶的超強粒子和電磁波可能摧毀衛星設施，而學家對輻射帶中粒子和電磁波的性質缺少精確的認識，比如：范艾倫探測器觀測到一種「合唱波」，這種波產生了加速粒子的效應，然而，科學家不能解釋輻射帶中波和粒子的作用規律。

既然本地能量來源於輻射帶的電磁波，那麼科學家需要確定電磁波和磁場的性質，它們如何形成了對輻射帶粒子的推動作用。范艾倫探測器能夠區分不同類型的電磁波，它開啟了粒子在輻射帶如何獲得加速的基本知識的大門。兩個范艾倫探測器攜帶了五組恆定的儀器，兩個探測飛船能夠檢測磁場分布、電磁波和粒子的性能，科學家獲得了最好的科學平台，他們可以更好地理解近地太空范艾倫輻射帶的性質。約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室接受了NASA科學使命委員會的委託，負責設計和建造了「雙胞胎」范艾倫探測器，該項目被納入到一個更大的科學探索使命計劃，戈達德太空飛行中心主要負責對太陽與地球物理聯繫的探索，而地球和太陽的互動直接影響了生命和人類社會活動和進化。

（編譯：2013-7-31）

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