物理学家观察到太空中有效波增长理论的直接证据

2023-01-19 15:37:56 来源：cnBeta

(资料图片仅供参考)

来自日本名古屋大学的一个团队首次观察到了空间中从共振电子到惠斯勒模式波的能量转移。他们的发现为以前理论上的有效增长提供了直接证据，正如波的非线性增长理论所预测的那样。这不仅可以提高我们对空间等离子体物理学的理解，也应该提高对空间天气的理解，这是一种影响卫星的现象。

有史以来第一次，物理学家观察到能量从谐振电子转移到空间的惠斯勒模式波。这为波的非线性增长理论提供了确认，而这一理论以前曾被预测过。这一突破可以为空间等离子体物理学和空间天气提供更多的理解，因为空间天气会对卫星产生影响。

当人们想象外太空时，他们往往把它设想为一个完美的真空。事实上，这种印象是错误的，因为真空里充满了带电粒子。在太空深处，带电粒子的密度变得如此之低，以至于它们很少相互碰撞。与填充空间的电场和磁场有关的力量取代了碰撞，控制了带电粒子的运动。这种缺乏碰撞的情况发生在整个空间，除了非常接近天体的地方，如恒星、卫星或行星。在这些情况下，带电粒子不再通过空间的真空，而是通过一种介质，在那里它们可以撞击其他粒子。

沿着磁场（紫色）传播的惠斯勒模式波磁场（带螺旋的蓝色箭头）与通过它的电子（红色）相互作用。资料来源：东京大学

在地球周围，这些带电粒子的相互作用产生了波，包括电磁惠斯勒模式波，它散射并加速一些带电粒子。当行星两极周围出现弥漫性极光时，观察者看到的是波和电子之间互动的结果。由于电磁场在空间天气中如此重要，研究这些相互作用应该有助于科学家预测高能粒子的强度变化。这可能有助于保护宇航员和卫星免受空间天气的最严重影响。

由名古屋大学空间与地球科学研究所（ISEE）的指定助理教授Naritoshi Kitamura和Yoshizumi Miyoshi组成的团队，与来自东京大学、京都大学、东北大学、大阪大学和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的研究人员以及一些国际合作者一起，主要利用美国宇航局磁层多尺度航天器上的低能量电子光谱仪（称为快速等离子体调查-双电子光谱仪）获得的数据。他们分析了电子和惠斯勒模式波之间的相互作用，这也是由航天器测量的。通过应用一种使用波粒相互作用分析仪的方法成功地直接检测到在航天器在空间的位置上从共振电子到哨兵模式波的持续能量转移。由此，他们得出了波的增长速度。研究人员在《自然通讯》上发表了他们的成果。

最重要的发现是，观察到的结果与在这种互动中发生非线性增长的假设一致。"这是第一次有人直接观察到电子和惠斯勒模式波之间的波粒互动在空间的有效增长，"Kitamura解释说。"我们期望这些结果将有助于对各种波粒相互作用的研究，同时也提高我们对等离子体物理研究进展的理解。作为更具体的现象，这些结果将有助于我们了解辐射带中电子加速到高能的情况，这些电子有时被称为"杀手电子"，因为它们对卫星造成了损害，以及大气中高能电子的损失，形成了漫反射极光。"

关键词：人造卫星名古屋大学东京大学