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Bokoyuan:这篇文章是为了天文学。

利用欧洲航天局cluster任务前所未有的现场数据，科学家们揭示了地球抵御宇宙辐射(弓形冲击波)的屏障不断变化的性质，以及这种粒子加速器如何在整个空间传输和重新分配能量。这项新的研究使用了cluster任务中四个航天器中两个的观测数据。四个航天器以紧密的队形穿过地球的弓形冲击波，相距仅7公里。这些数据采集于2015年1月24日，距离地球9万公里，大约是到月球的四分之一。他们揭示了由于缺乏如此近距离的现场测量而未知的弓形冲击波的质量。当超音速流遇到障碍物时，会形成冲击波。这种现象在恒星、超新星遗迹、彗星和行星(包括我们自己的)周围的宇宙中很常见。

博科花园-科学谱：众所周知，冲击波是一种非常有效的粒子加速器，它有潜力创造宇宙中最高能的粒子。环绕地球的冲击波，称为弓形冲击波，是地球抵御宇宙粒子涌入的第一道防线，也是离我们最近的研究等离子体激波动力学的试验台。它的存在是由于太阳风粒子的高速和超音速，产生了类似飞机突破音障时形成的冲击波现象。这项发表在2019年2月28日期刊《科学进展》(科学进展)上的新研究揭示了这种冲击波将能量从一种类型转移到另一种类型的机制。位于瑞典乌普萨拉的瑞典空间物理研究所的主要作者安德鲁迪莫克(Andrew Dimmock)说：地球弓形激波是一个天然的、理想的激波实验室。

宇宙撞击，图片：ESA(地球磁球图解)；NASA，ESA/哈勃感谢像Cluster这样的任务，我们能够在它里面和周围放置多个航天器，覆盖范围从几百公里到只有几公里。这意味着我们可以告诉冲击波如何在空间和时间上变化，这在描述这种类型的冲击波时是必不可少的。有几种类型的影响，它们被定义为将动能转化为其他类型能量的方式。在地球大气层中，粒子相互碰撞时，动能会转化为热能——。但是，在我们星球的弓形冲击波中发挥的巨大作用，意味着粒子碰撞在那里的能量传递中无法发挥这样的作用，因为它们之间的距离太远了。因此，这种碰撞被称为无碰撞碰撞。这种撞击可以存在于毫米到团簇大小的各种尺度上，通过等离子体波、电场、磁场等过程传递能量。

地球弓形冲击波中的子结构，图片：ESA《数据的合著者：A. Dimmock et al. (2019)》英国谢菲尔德大学的Michael Balikhin说：除了无碰撞，地球的弓形冲击波也可以是非平稳的。在某种程度上，它的行为就像大海中的波浪：当波浪靠近海滩时，它的体积似乎随着深度的减少而增加，直到它破——。这是因为波峰比波谷移动得快，导致其折叠和断裂。这种‘断裂’也会发生在等离子体的波上，虽然在物理上更复杂。为了详细研究这种波破裂的物理规模(这在以前是未知的)，研究人员发起了一项特殊的活动，将四个集群探测器中的两个移动到不到7公里的距离，以收集冲击波内部的高分辨率数据。

地球弓形冲击波中的子结构，摄影：A. Dimmock et al. (2019)研究小组在分析数据后发现，两个集群航天器获得的磁场测量结果差异很大。这一直接证据表明，在更大范围的弓形激波中存在小尺度磁场结构，这表明它们在促进等离子体波的击穿，从而在这部分磁层的能量转移中起着关键作用。这些结构的大小只有几千米，类似于电子围绕磁力线旋转的尺度。它们位于激波中一个特别薄且易变的区域，在这个区域中，构成等离子体和周围场的质量变化最剧烈。欧洲航天局cluster任务的项目科学家、该研究的合著者菲利普埃斯库贝特(Philip Escubet)说：弓形冲击波的这一部分被称为冲击波斜坡(shock slope)，它可以薄到几公里——。这个发现也是基于几年前的聚类数据。

2000年，Cluster公司发射的四艘宇宙飞船环绕地球飞行，这是第一次在三维空间中研究地球磁场环境中和周围物理过程的太空任务。这种研究确实说明了集群作为一种使命的重要性。通过分离——个小得不可思议的航天器，这项研究中使用的距离是7公里甚至更短。只有3公里的——星系团使我们能够在有史以来最小的尺度上探索地球的磁场环境。这提高了我们对地球弓形冲击波及其作为巨型粒子加速器的作用的理解，这是我们理解高能宇宙的关键。

博科花园-科普|研究/来自：欧空局

期刊参考文献：《Science Advances》

DOI: 10.1126

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