科技日報記者 張夢然
科學家在理解宇宙中無碰撞沖擊波如何將粒子加速至極高能級方面，取得了重要進展。這項13日發表在《自然·通訊》上的研究，結合了美國國家航空航天局（NASA）的磁層多尺度任務（MMS）、阿爾忒彌斯任務的衛星觀測數據與最新理論研究成果，提出了一種新的綜合模型，用于解釋宇宙中最強大的天然粒子加速器。
該研究解決了天體物理學領域內一個長期存在的難題：即電子是如何達到極高，甚至是相對論能量水平的。費米加速或擴散沖擊加速（DSA）是解釋這一過程的主要機制，但要使DSA起作用，電子首先需要被激發到一定的閾值能量，這就是所謂的“注入問題”。
新模型提出，在多種加速機制復雜交互作用下，電子可跨越多個尺度的過程得到加速。研究人員利用MMS任務和阿爾忒彌斯任務的實測數據，觀察到了2017年12月17日在地球弓形激波上游發生的一種大規模且瞬態的現象。在此事件中，太陽風因與弓形激波相互作用而受到預先干擾的區域——即激波前區的電子，達到了超過500keV（千電子伏特）的能量水平，遠高于通常觀察到的大約1keV的能量水平。
研究顯示，高能電子是由電子與等離子波、激波前區的瞬態結構以及弓形激波本身的互動，共同作用的結果。所有這些因素加在一起，將電子從低能量狀態提升到高達500keV的相對論能量，從而形成了高效的電子加速過程。
該成果改進了人們對沖擊加速的理解，并為研究空間等離子體物理提供了新見解。
總編輯圈點：
宇宙能量轉移由誰來控制？本文的成果，就在推進人們對宇宙中“天然粒子加速器”運作原理的理解，同時也為解釋高能宇宙射線起源開辟了新途徑。這一突破對于未來探索星際介質、星系演化以及設計人工粒子加速器具有深遠意義。同時，新模型也向人們展示了空間等離子體物理現象的復雜性，而我們對這一領域的認知依然有限。
