三体人的“水滴”？电子飞行速度可接近光速，决定条件是等离子体

美国国家航空航天局的范艾伦探测器(Van Allen Probes)航天器最近的测量显示，电子可以近乎光速的速度飞行，达到超相对论能量。

已经有研究人员揭示了这种强加速度发生的条件，证明了在太阳风暴期间等离子体在其中扮演了重要角色。但还是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。

而在近日《科学进步》(Science Advances)上一项研究显示，背景等离子体密度的极度消耗(extreme depletion)至关重要。

在超相对论能量下，电子几乎以光速运动。有了如此高的能量，带电粒子对卫星危害很大，其电荷可以破坏敏感的电子设备。因此，预测它们的发生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，研究人员使用了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。目的是在辐射带，即所谓的范艾伦带，进行详细的测量。

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影响的风暴。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每立方厘米只有大约十个粒子时，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。

研究人员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700多万电子伏。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，使研究人员能够从测量的电场和磁场波动中推断出总等离子体密度。

研究人员总结称，“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)合适，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是在等离子体波上‘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和其他天体物理学物体中起作用。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabc0380