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Cluster衛星群資料顯示地球的弓形震波層只有17公里厚

英國國王學院科學家Steven Schwartz等人,藉由歐洲太空總署(ESA)由4架衛星組成的Cluster衛星群觀測資料,發現太陽風遭遇地球磁場所形成的弓形震波(bow shock)非常薄,厚度只有17公里而已。像這樣的薄震波區,通常是粒子加速的早期階段所在之處。這項發現可能有助於解決有關背景宇宙線的粒子加速理論的爭議。

宇宙中的大部分重子物質(baryonic matter) 是帶電粒子和離子,即所謂的「電漿(plasma)」。電漿流可在各種大小的空間尺度中移動,穿透行星之間的行星際空間,也會穿越恆星之間的星際空間或星系之間的星系際空間。當超音速(supersonic)電漿流遇到如行星或恆星磁場、另一股速度慢一點的物質流等阻礙時,會產生震波(shock wave,或譯為衝擊波)。

天文學家在多種宇宙環境中都曾觀測到這種突然從超音速流轉換至亞音速流(subsonic)的狀況,其中比較顯著的是年輕和大質量恆星的恆星風、超新星爆炸的殘骸和電波星系(radio galaxy)產生的噴流和波瓣(lobe)等遭遇周圍星際介質的情況。以電波、X射線和伽瑪射線波段觀測時,可以清楚呈現這些震波與宇宙中能量最高的粒子—宇宙線(cosmic ray)的起源有密切相關。

雖然目前已知這些震波是非常有效率的粒子加速場,對於已經被加速到能量相當高的粒子,又從此能量門檻被加速到更高能量現象的物理機制,科學家們已經頗為瞭解。但目前並不清楚粒子如何與震波交互作用以獲取能量的機制究竟為何,尤其是宇宙線粒子加速的早期階段,這些粒子究竟是怎麼進入粒子加速場,可能是個非常複雜的過程,對天文物理學家而言,是個亟待探索的領域。

離地球最近的這類粒子加速區,其實就在地球上空—因太陽風與地球磁層相互遭遇而形成的弓形震波層,尤其是弓形震波層的厚度,是研究粒子加速物理過程的關鍵參數。Schwartz等人從Cluster衛星群資料發現:地球的弓形震波厚度只有17公里,比他們原本認為的薄了許多,這也顯示這類粒子加速場的工作效率遠超過科學家們之前預期的程度。

Cluster衛星群發射於2000年,由4架衛星組成艦隊隊形,以繞極軌道繞行地球,因此可由其觀測資料同時獲知某地球周圍事件的空間和時間變化,以及溫度等電漿中的粒子物理性質。科學家曾在2003年時,分析Cluster衛星群的資料,獲得地球弓形震波層的厚度上限頂多為100公里。而Schwartz等人的最新分析結果更將弓形震波層的厚度降至只有17.3公里,不到2003年估計的1/5。

The magnetic field and electron temperature in the plasma surrounding Earth bow shock. Image courtesy of Steven Schwartz, Imperial College London  Schwartz等人挖掘Cluster的觀測資料庫,發現2005年1月9日有一組Cluster衛星群逐漸穿越震波層的資料。由於穿越速度緩慢,所以弓形震波層隨太陽風改變而引起的擾動非常小,因此時間解析度細達250毫秒,衛星群可以取得非常精確的粒子族群樣本資料,粒子分佈在震波層的空間解析度也非常好。當衛星逐漸進入這電漿震波層的過程中,記錄到電子經歷非常劇烈而突然的溫度陡升現象,幾乎已接近波散(wave dispersion)的極限,意味著這個震波層非常薄;而在物理上,薄層的加速效果更好。

鄰近超薄震波層之處,一種稱為「多次反射(multiple reflection)」或「衝浪(surfing)」的粒子加速機制會變得特別有效率。離子速度起初很慢,僅相當於數keV能量等級,隨著在震波層中重複的來回反射跳躍,能量就愈來愈高。震波起初就像一堵牆,離子無法穿越;但當離子能量隨著來回跳躍升高到0.5MeV以上時,它就能突破震波這堵障礙而離去。(點選此處觀看動畫

這個機制可能是粒子進入宇宙加速器的最佳解釋,如果震波層夠薄,粒子能量就可被加速到高能量級門檻,然後才有機會再藉由別的機制來加速1GeV,這是目前宇宙線研究所偵測到最高的粒子能量等級。

Schwartz等人很高興的說:即使只是研究自家門前的局部現象,也能對瞭解整個宇宙的粒子加速機制做出重要貢獻。

資料來源:Cluster reveals Earth’s bow shock is remarkably thin[2011.11.16]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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