地球周圍發(fā)現(xiàn)第三個(gè)輻射帶含致命電子

據(jù)國外媒體報(bào)道，美國宇航局的太空探測器在地球周圍發(fā)現(xiàn)第三個(gè)此前未知的范艾倫輻射帶，這一發(fā)現(xiàn)有助于科學(xué)家了解太陽如何以及何時(shí)對(duì)地球帶來危害。范艾倫輻射帶是一個(gè)甜甜圈形區(qū)域，含有“致命電子”，環(huán)繞我們的星球。這一輻射帶經(jīng)常因?yàn)樘栵L(fēng)暴和其他空間天氣事件膨脹，對(duì)衛(wèi)星通訊、GPS衛(wèi)星以及宇航員構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

發(fā)現(xiàn)第三輻射帶

科學(xué)家一直認(rèn)為地球周圍只有兩個(gè)范艾倫輻射帶，但兩個(gè)探測器（2012年夏季發(fā)射的范艾倫探測器）搭載的儀器發(fā)現(xiàn)的粒子顯示存在第三個(gè)短暫的輻射帶。科學(xué)家觀測到這第三個(gè)輻射帶的形成，一共持續(xù)了4周時(shí)間，最后被來自太陽的一場強(qiáng)烈的行星際沖擊波殲滅。

美國新罕布什爾州大學(xué)的哈蘭·斯賓塞表示：“在對(duì)輻射帶進(jìn)行了數(shù)十年的研究之后，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的輻射帶。借助于范艾倫探測器的觀測儀器，我們就如同擁有一雙眼睛，看到這個(gè)引人注目的現(xiàn)象。我們期待著這項(xiàng)任務(wù)的其他發(fā)現(xiàn)，以便確定出現(xiàn)這種極端輻射帶的頻率以及可能出現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。”斯賓塞是操控范艾倫探測器的研究小組成員。

范艾倫輻射帶是太空時(shí)代的第一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。美國宇航局的“先驅(qū)者3”號(hào)和“探索者4”號(hào)探測器（都在1958年發(fā)射升空，攜帶詹姆斯·范艾倫研制的儀器）傳回的數(shù)據(jù)揭示地球周圍存在兩個(gè)截然不同的高能電子環(huán)形區(qū)域。在最初發(fā)現(xiàn)范艾倫輻射帶時(shí)，科學(xué)家認(rèn)為它們是相對(duì)比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，但隨后進(jìn)行的觀測顯示它們實(shí)際上非常活躍，不斷發(fā)生變化同時(shí)充滿神秘色彩。

2012年8月30日，宇航局發(fā)射了輻射帶風(fēng)暴探測器——隨后更名為“范艾倫探測器”——進(jìn)一步研究輻射帶。范艾倫輻射帶對(duì)衛(wèi)星、宇航員和地球上的技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成威脅，進(jìn)一步加深對(duì)輻射帶的了解至關(guān)重要，因?yàn)楝F(xiàn)代社會(huì)對(duì)基于太空的技術(shù)的依賴程度越來越高。加深對(duì)輻射帶形成和數(shù)量的認(rèn)知同樣有助于科學(xué)家了解太陽風(fēng)暴如何以及何時(shí)對(duì)地球帶來危害。

帶有一定偶然性

第三個(gè)范艾倫輻射帶的發(fā)現(xiàn)帶有一定偶然性，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)輻射帶的儀器——范艾倫探測器搭載的相對(duì)論電子質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡（以下簡稱REPT）打開的時(shí)間早于原定計(jì)劃。宇航局在一份聲明中表示：“這是一個(gè)幸運(yùn)的決定。在REPT打開前不久，太陽活動(dòng)釋放的能量奔向地球，導(dǎo)致輻射帶膨脹。”正如所預(yù)料的一樣，REPT9月傳回地球的數(shù)據(jù)仍顯示只存在兩個(gè)范艾倫輻射帶。

但就在幾天之后，外環(huán)似乎壓縮成一個(gè)強(qiáng)烈而緊湊的電子帶，第三個(gè)不太緊湊的電子帶形成，輻射帶從兩環(huán)變成三環(huán)。范艾倫探測器項(xiàng)目科學(xué)家什里·卡耐卡爾表示：“到了REPT打開后的第五天，我們觀測到第三個(gè)輻射帶。最初，我們還懷疑儀器出了問題。我們進(jìn)行了全面檢查，但并沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。觀測結(jié)果顯示第三個(gè)輻射帶一共存在了4周時(shí)間。”

美國科羅拉多州大學(xué)玻爾得分校的丹·貝克指出：“這一發(fā)現(xiàn)太怪異了。我當(dāng)時(shí)認(rèn)為一定是儀器出了故障。然而，另一個(gè)探測器得出了相同的發(fā)現(xiàn)。這促使我們得出發(fā)現(xiàn)第三個(gè)輻射帶的結(jié)論。”貝克所在的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和制造了REPT。

新罕布什爾州大學(xué)的天體物理學(xué)家斯賓塞表示這是一個(gè)“尤利卡時(shí)刻”。他說：“帶著驚奇，我們看著外側(cè)的輻射帶快速消失。不過，這個(gè)輻射帶并沒有完全消失，內(nèi)緣仍殘留著少量泛著銀色的高能電子，我們將它稱為‘存儲(chǔ)環(huán)’。在隨后幾天外側(cè)電子帶變形時(shí)，這個(gè)帶距離存儲(chǔ)環(huán)所在位置更遠(yuǎn)，形成一個(gè)短暫的三帶結(jié)構(gòu)。教科書就在我們眼前被改寫。”

探測器功不可沒

在9月的第三周，距離地球最遠(yuǎn)的中部“存儲(chǔ)環(huán)”開始消失。最后，來自太陽的一場強(qiáng)烈的行星際沖擊波徹底殲滅了“存儲(chǔ)環(huán)”以及外側(cè)帶的其他部分。科學(xué)家指出外側(cè)的范艾倫輻射帶極不穩(wěn)定，不時(shí)會(huì)出現(xiàn)帶電粒子膨脹，導(dǎo)致它們逃逸，具體程度取決于空間天氣。在此之前，科學(xué)家從未觀測到這個(gè)三帶結(jié)構(gòu)，甚至沒有在理論上提出存在這種結(jié)構(gòu)。

在“存儲(chǔ)環(huán)”和外側(cè)輻射帶消失后幾個(gè)月，范艾倫輻射區(qū)變形為原來的兩帶結(jié)構(gòu)。貝克教授表示：“我們對(duì)這種現(xiàn)象的出現(xiàn)頻率一無所知。這種現(xiàn)象可能非常頻繁，但我們沒有相應(yīng)的儀器進(jìn)行觀測。利用高解析度觀測儀器觀測到外側(cè)帶的時(shí)空和能量活動(dòng)還是第一次。此前對(duì)外側(cè)輻射帶進(jìn)行的觀測所呈現(xiàn)的景象比較模糊。在發(fā)射后第二天打開REPT時(shí)，一場強(qiáng)烈的電子加速活動(dòng)已在進(jìn)行當(dāng)中，我們清晰地看到新輻射帶以及這個(gè)輻射帶與外帶之間新形成的縫隙。”

兩個(gè)范艾倫探測器一模一樣，負(fù)責(zé)對(duì)輻射帶進(jìn)行觀測，對(duì)種類繁多的能量和粒子進(jìn)行編目，追蹤穿過輻射區(qū)的磁波。這兩個(gè)探測器沿著橢圓形軌道環(huán)繞地球運(yùn)行，能夠在穿過輻射區(qū)時(shí)從兩個(gè)輻射帶的心臟地帶向地球傳送觀測數(shù)據(jù)。范艾倫探測器搭載了5臺(tái)儀器，允許科學(xué)家獲取輻射帶的數(shù)據(jù)，細(xì)節(jié)達(dá)到空前程度。

兩個(gè)探測器傳回的數(shù)據(jù)有助于科學(xué)家進(jìn)一步了解空間天氣如何影響近地現(xiàn)象。加深對(duì)輻射帶形成和數(shù)量的認(rèn)知同樣有助于科學(xué)家了解太陽風(fēng)暴如何以及何時(shí)對(duì)地球帶來危害。斯賓塞表示：“我們觀測到的現(xiàn)象非常引人注目，允許我們在一定程度上改進(jìn)輻射帶動(dòng)力學(xué)理論并加以驗(yàn)證，進(jìn)而提高我們預(yù)測它們行為的能力。這對(duì)于了解空間天氣非常重要，能夠提高在危險(xiǎn)太空區(qū)域活動(dòng)的宇航員和航天器的安全性。”在2月28日《科學(xué)》雜志刊登的一篇論文中，科學(xué)家詳述了他們的研究發(fā)現(xiàn)。

（選自新浪科技）