银河宇宙射线中高能重元素的奥秘

重离子动力学

SwRI的科学家基于MMS的观测发展了重离子动力学的概念图像。彩色的轨迹线说明了阿尔法粒子(He++)在遭遇极端冲击时的行为。强磁场有效地改变了它们的轨迹,将它们置于加速区。这个过程解释了微量重元素是如何被超新星事件加速成银河宇宙射线的。信贷:SwRI

科学家们利用西南研究院领导的磁层多尺度(MMS)任务的数据来解释银河宇宙射线(GCRs)中高能重元素的存在。GCRs是由快速移动的高能粒子组成的,主要是被称为质子的氢离子,这是宇宙中最轻和最丰富的元素。长期以来,科学家们一直在讨论如何加速GCRs中的痕量重离子。

一颗濒死恒星的超新星爆炸会产生巨大的冲击波,这些冲击波会传播到周围的空间,加速行进中的离子达到极高的能量,从而产生GCRs。重离子被激发和加速的程度非常重要,因为它们影响着整个宇宙的质量再分配,对更重、化学上更复杂的元素的形成至关重要。它们还影响我们对天体物理结构的认知。

“重离子被认为对传入的冲击波不敏感,因为它们的数量较少,而冲击波的能量绝大多数被质子所消耗。“想象你站在沙滩上,看着海浪冲走你脚下的沙子,而你却呆在原地,”发表在《纽约时报》上的有关这项研究的论文的主要作者、SwRI的哈迪·马达尼安博士说天体物理学杂志通讯》上.“然而,重离子在冲击条件下的行为的经典观点并不总是我们在近地空间环境的高分辨率MMS观测中所看到的。”

冲击现象也发生在近地环境中。太阳的磁场由超音速太阳风流携带穿过星际空间,而地球的磁气圈(一种保护我们家园的气泡)阻挡并改变了太阳的磁气圈。由于其弯曲的形状,这一相互作用区域被称为船头激波,可与船在水中行驶时发生的船头波相媲美。地球的弓形冲击形成的规模比超新星冲击小得多。然而,有时,这种小冲击的条件类似于超新星残骸的情况。该团队利用MMS航天器在弓形激波处的高分辨率原位测量来研究重离子是如何加速的。

“我们观察到弓形激波附近磁场的强烈放大,这是一种已知的与强激波(如超新星残骸)相关的特性。然后,我们分析了不同离子种类在遇到弓形激波时的行为。“我们发现,这些增强的磁场显著地改变了重离子的轨迹,将它们重新定向到激波的加速区。”

虽然重离子不会出现这种现象,但研究小组在阿尔法粒子中找到了这种现象的直接证据。阿尔法粒子中氦离子的质量是质子的四倍,电荷是质子的两倍。

“MMS观测的高超分辨率让我们对冲击波如何激发重元素有了更清晰的了解。我们将能够利用这一新的理解来改进我们在天体物理冲击下的宇宙射线加速的计算机模型,”伦敦玛丽女王大学的数学和天文学教授、论文的合著者戴维·伯吉斯(David Burgess)说。“新发现对宇宙射线的组成和天体物理结构中观测到的辐射光谱具有重要意义。”

参考文献:《来自高马赫数非碰撞冲击的重离子磁反射的直接证据》,作者:Hadi Madanian, Steven J. Schwartz, Stephen A. Fuselier, David Burgess, Drew L. Turner, Li-Jen Chen, Mihir I. Desai和Michael J. Starkey, 2021年7月2日,天体物理学杂志通讯》上
2041 - 8213 . DOI: 10.3847 / / ac0aee

">美国国家航空航天局美国的四颗MMS卫星利用近地环境作为实验室,研究各种空间物理现象。戈达德太空飞行中心建造、集成和测试了四个MMS航天器,并负责全面的任务管理和任务操作。MMS仪器套件科学团队的首席研究员位于德克萨斯州圣安东尼奥的SwRI。科学操作计划和仪器指挥在科罗拉多大学博尔德大气和空间物理实验室的MMS科学操作中心执行。

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