宇宙射線影響著宇宙中一些最極端的事件，但這些高能粒子的動(dòng)力仍然是天體物理學(xué)最大的謎團(tuán)之一。
多年來，科學(xué)家們一直試圖了解宇宙射線 —— 一種微小的、快速移動(dòng)的粒子，它穿過太空，不停地轟擊地球。
這些高能粒子與強(qiáng)大的宇宙事件有關(guān)，比如恒星爆炸和黑洞周圍的環(huán)境。此外，它們還在大氣化學(xué)中發(fā)揮作用，可能干擾電子系統(tǒng)，并對(duì)宇航員和航天器構(gòu)成挑戰(zhàn)。
然而，研究宇宙射線一直具有挑戰(zhàn)性，特別是因?yàn)槲覀內(nèi)匀徊磺宄@些粒子是如何獲得高能量的。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（USTC）的研究人員最近進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，試圖解開這個(gè)謎團(tuán)。
通過他們的實(shí)驗(yàn)，研究人員直接觀察到帶電離子粒子如何通過反射磁化沖擊波獲得能量。這一首次觀測(cè)揭示了一個(gè)關(guān)鍵的過程，這個(gè)過程可能驅(qū)動(dòng)宇宙射線在宇宙中的加速。
激波漂移vs 激波沖浪
為了解釋提供高能宇宙射線的機(jī)制，科學(xué)家們目前依靠兩種理論。
第一種是激波漂移加速（SDA），它認(rèn)為粒子通過沿著激波邊緣的磁場滑動(dòng)來獲得能量，就像沖浪者沿著波浪的側(cè)面滑行一樣。當(dāng)粒子穿過電擊的電場和磁場時(shí)，它們的速度會(huì)得到提升。
第二種理論被稱為激波沖浪加速度（SSA），它認(rèn)為粒子被困在沖擊波的正前方，就像沖浪者騎在浪峰上一樣。電擊時(shí)的電場推動(dòng)它們向前，給它們突然爆發(fā)的能量。
然而，沒有人知道這兩種理論哪一種是正確的。因此，為了解決這個(gè)問題，中國科大團(tuán)隊(duì)采用了一種新穎的方法。
利用強(qiáng)大的“神光二號(hào)”激光設(shè)備，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里模擬了太空環(huán)境，觀察了強(qiáng)大的沖擊波。以下是他們的發(fā)現(xiàn)：
在實(shí)驗(yàn)室里觀察宇宙射線
他們的方法涉及產(chǎn)生磁化等離子體，這是一種氣體帶電的物質(zhì)狀態(tài)，類似于存在于太空中的物質(zhì)。然后，他們將另一個(gè)等離子體以超過240英里/秒（400公里/秒）的速度推進(jìn)到這個(gè)磁化等離子體中。
這次碰撞產(chǎn)生了激波，類似于宇宙中爆炸的恒星（超新星）產(chǎn)生的強(qiáng)大激波。接下來，研究人員采用先進(jìn)的診斷工具，使他們能夠觀察離子在這種相互作用中的行為。
他們所看到的是一束離子被加速到驚人的速度，從每秒1100到1800公里（每秒683到1118英里）不等。這比最初的激波本身要快得多，清楚地表明離子通過反射激波前緣獲得能量。
此外，通過運(yùn)行模擬，研究小組證實(shí)，這種能量增加主要是由與沖擊波相關(guān)的電場和磁場驅(qū)動(dòng)的 —— 這是激波漂移加速（SDA）的一個(gè)明顯特征。
“我們的模擬再現(xiàn)了能量增益，并表明離子在反射過程中主要由運(yùn)動(dòng)電場加速。研究結(jié)果確定激波漂移加速是主要的離子激發(fā)機(jī)制，這與地球弓形激波的衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果一致。”
這個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅解決了天體物理學(xué)中一個(gè)長期存在的爭論，而且為在受控環(huán)境下研究高能粒子動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)有趣的平臺(tái)。
希望未來的研究將建立在這些見解的基礎(chǔ)上，并揭示與粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)相關(guān)的各種其他謎團(tuán)。
這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。
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