三种接近光速的旅行方式


   2019-05-30 丨 科普 丨 nasachina  丨  No Comment 丨  67

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一百年前的今天,1919年5月29日,对日食的测量为爱因斯坦的广义相对论提供了验证。甚至在那之前,爱因斯坦就已经发展了狭义相对论,它彻底改变了我们理解光的方式。直到今天,它还为理解粒子如何在太空中运动提供指导——这是一个关键的研究领域,以确保航天器和宇航员免受辐射。

狭义相对论表明,光子,光的粒子在真空中以每小时670,616,629英里的恒定速度运动——在那样的环境中,这个速度是非常难以达到的,也不可能超过的。然而,在整个太空中,从黑洞到我们的近地环境,粒子实际上正在以令人难以置信的速度加速,有些甚至达到了99.9%的光速。

NASA的工作之一是更好地理解这些粒子是如何加速的。研究这些超高速、相对论性粒子可以最终帮助保护任务探索太阳系,到月球旅行,他们可以教我们更多关于我们的银河社区:一个好的意图near-light-speed粒子可以一次旅行机载电子和太多的辐射的负面效应在太空宇航员去月球旅行,或者更远。

以下是3种加速的方式。

 

1)电磁场

大多数使粒子加速到相对论速度的过程都是在电磁场中进行的——这和使磁铁保持在冰箱上的力是一样的。电场和磁场,这两个组成部分,如同一枚硬币的两面,共同作用,在整个宇宙中以相对论的速度扫描粒子。

本质上,电磁场加速带电粒子的运动,是因为带电粒子在电磁场中感受到一种推动它们前进的力,类似于重力对有质量物体的引力。在适当的条件下,电磁场可以使粒子以接近光速加速。

在地球上,电场通常是专门利用在较小的规模被特别利用以加速实验室中的粒子。粒子加速器,如大型强子对撞机和费米实验室,利用脉冲电磁场将带电粒子加速到光速的99.99999896%。在这样的速度下,粒子可以被粉碎在一起,产生具有巨大能量的碰撞。这使得科学家能够寻找基本粒子,并了解宇宙在大爆炸后最初几秒内是什么样子的。

2)磁爆炸

地球周围的空间不断发生巨大的,无形的爆炸。这些爆炸是扭曲的磁场的结果,这些扭曲磁场突然断裂并重新排列,将粒子射向太空。
资料来源:NASA's Goddard Space Flight Center

磁场遍布太空,环绕地球,横跨太阳系。它们甚至能引导带电粒子在空间中移动,而空间又绕着磁场旋转。

当这些磁场相互碰撞时,它们就会纠缠在一起。当交叉线之间的张力过大时,这些线就会发生爆发性的断裂,并重新排列,这一过程被称为磁重联。一个地区磁场的快速变化会产生电场,从而导致所有伴随而来的带电粒子被高速抛出。科学家怀疑磁场重连是粒子加速到相对论速度的一种方式,例如太阳风,它是来自太阳的带电粒子的恒定流。

这些高速粒子也会在行星附近产生各种副作用。磁场重连发生在离我们很近的地方,在那里太阳的磁场推动地球的磁层——它的保护磁性环境。当磁场重连发生在地球背向太阳的一侧时,这些粒子就会被抛到地球的上层大气中,并在那里引发极光。磁重联也被认为是木星和土星等其他行星形成类似现象的原因,尽管方式略有不同。

NASA的磁层多尺度宇宙飞船(Magnetospheric Multiscale spacecraft)的设计和建造是为了专注于理解磁重联的所有方面。该任务使用四艘相同的航天器环绕地球飞行,捕捉磁场重连的动作。分析数据的结果可以帮助科学家理解粒子在地球和宇宙中以相对论速度运动时的加速度。

科学家John Dorelli讲述了MMS任务的轨道,以及为什么四个航天器以四面体的形式飞行。
在它的旅程中,MMS将观察到一种鲜为人知但却普遍存在的现象,称为磁重联。磁重联导致了地球附近磁性环境的戏剧性重塑,常常将大量的能量和快速移动的粒子送往一个新的方向。这不仅是一个发生在整个宇宙的基本物理过程,也是地球空间天气事件的驱动因素之一。要真正理解这个过程,需要四个相同的航天器来跟踪这种重新连接事件如何在三维空间中移动。

3)波粒子相互作用

粒子可以通过与电磁波的相互作用而加速,这种相互作用被称为波粒子相互作用。当电磁波碰撞时,它们的磁场会被压缩。带电粒子在电磁波之间来回弹跳可以获得类似于球在两个合并的墙之间弹跳的能量。

这些类型的相互作用不断发生在近地空间,并将粒子加速到可以破坏太空飞船和卫星上的电子设备的速度。NASA的任务,比如范艾伦探测器,帮助科学家理解波粒子相互作用。

波粒子相互作用也被认为是加速一些来自太阳系外的宇宙射线的原因。超新星爆炸后,一种被称为爆炸波的炽热而致密的压缩气体壳层从恒星核心喷出。这些气泡中充满了磁场和带电粒子,这些气泡中的波粒子相互作用能以99.6%的光速发射高能宇宙射线。波粒子相互作用也可能是加速太阳风和来自太阳的宇宙射线的部分原因。

电场和磁场可以增加和消除粒子的能量,改变它们的速度。
资料来源:NASA's Scientific Visualization Studio

参考:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/three-ways-to-travel-at-nearly-the-speed-of-light/

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