科学家提出宇宙粒子加速器新模型

科学家在理解宇宙中无碰撞冲击波如何将粒子加速至极高能级方面，取得了重要进展。这项 13 日发表在《自然·通讯》上的研究，结合了美国国家航空航天局（NASA）的磁层多尺度任务（MMS）、阿尔忒弥斯任务的卫星观测数据与最新理论研究成果，提出了一种新的综合模型，用于解释宇宙中最强大的天然粒子加速器。

该研究解决了天体物理学领域内一个长期存在的难题：即电子是如何达到极高，甚至是相对论能量水平的。费米加速或扩散冲击加速（DSA）是解释这一过程的主要机制，但要使DSA起作用，电子首先需要被激发到一定的阈值能量，这就是所谓的“注入问题”。

新模型提出，在多种加速机制复杂交互作用下，电子可跨越多个尺度的过程得到加速。研究人员利用 MMS 任务和阿尔忒弥斯任务的实测数据，观察到了 2017 年 12 月 17 日在地球弓形激波上游发生的一种大规模且瞬态的现象。在此事件中，太阳风因与弓形激波相互作用而受到预先干扰的区域——即激波前区的电子，达到了超过 500keV（千电子伏特）的能量水平，远高于通常观察到的大约 1keV 的能量水平。

研究显示，高能电子是由电子与等离子波、激波前区的瞬态结构以及弓形激波本身的互动，共同作用的结果。所有这些因素加在一起，将电子从低能量状态提升到高达 500keV 的相对论能量，从而形成了高效的电子加速过程。

该成果改进了人们对冲击加速的理解，并为研究空间等离子体物理提供了新见解。