1958年，科学家发现了环绕着地球的两道巨型辐射带，自那以后，辐射带就给研究者带来了撩人的谜题。其中一道未决之谜是：是什么将辐射带中的粒子加速到了接近光速？最佳答案是，穿过辐射带的某类电磁波推动着粒子，这与在海洋中乘波前行的冲浪者类似。
两架范艾伦探测器穿过环绕着地球的辐射带飞行，帮助科学家研究将粒子加速到接近光速的过程。（图片提供：NASA）
NASA在2012年8月发射的两架范艾伦探测器目的是帮助区分开可能加速粒子的诸多波动。现在来自探测器的观测以空前的分辨率说明，低频波动比通常所认为的更多，这使得加速粒子到如此高速的机制又多了一种可能性。相关结果发表在2013年11月19日的《自然通信》杂志上。
来自马里兰州格林贝尔特（Greenbelt）NASA戈达德太空飞行中心的任务科学家戴维·西贝克（David Sibeck）说：“这些观测展示了我们迄今所见低频波动最漂亮的一些实例。为了尽力了解驱动复杂辐射带的原因，在我们的模型中包括所有这些不同的波动是很重要的。”
辐射带确实很复杂，其形态与大小随着太阳入射的能量和粒子而变化。在极端空间天气条件下，邻近的卫星也可以没入辐射带中，这可能让航天器带电，甚至让它们内部的电路发生短路。对辐射带内过程更好的了解可以最终帮助我们保护轨道航天器免受损害。
相关论文的第一作者、来自加拿大阿尔伯塔（Alberta）大学的太空科学家伊恩·曼恩（Ian Mann）说：“实际上近地空间被基础磁场所填充，磁场可以被极其典型的恒星发出的中等强度太阳风所扰乱。与宇宙中更奇异的天体物理现象相比，地球系统乍看之下并不像是可以将粒子加速到如此不可思议的速度的。不过我们头顶发生的一些事情就相当于高效的行星极加速器，自从辐射带被发现之后，科学家一直尝试去理解它。”
这架加速器正被范艾伦探测器以空前的精度观测着。探测器的结果对于理解探测器不可及的遥远宇宙中的粒子加速过程来说有着重要的意义。
曼恩在范艾伦探测器的观测数据中搜索低频波动可能影响粒子速度的例子。辐射带由极高能带电粒子气体（等离子体）组成。等离子体是由一系列地球上罕见的电磁学物理定律支配的，这其中包括存在一系列不同类型的等离子体波动，很多波动都可以加速粒子。总的来说，辐射带中的粒子具有3种自然运动的轨迹：以紧密的螺旋环绕磁力线运动、沿磁力线来回反复运动，还有以区区几分钟的周期环绕整个地球运动。不同的等离子体波可能具有恰好的频率，可以与3种运动之一发生强烈的相互作用。
曼恩及其同事发现了具有被低频波（超低频波动，即ULF波）加速特征的高速粒子群。这些全球尺度的波动非常适于沿轨道加速粒子，这就好像是可以在恰当的时间以恰当的速度让骑在游乐场旋转木马上的孩子速度加快一样。这种时间恰当的同步加速是粒子在同步加速器中加速的机制，地球上的物理学家建造这样的设备用于进行粒子实验。
曼恩说：“人们想到过可能存在这样的加速过程。不过我们尚未清楚地看到它。现在我们知道，我们没看到它只是因为分辨率不够。”
范艾伦探测器的数据还表明，加速机制发挥作用要比ULF波相互作用的标准模型快得多，这一信息会改变科学家对辐射带动力学的认识。曼恩计划在他的模型中考虑更多数量的ULF波，看看结果是否与针对辐射带中过程的观测数据相符。这样的比较可以帮助人们精细调整辐射带模型，让模型尽可能精确。在范艾伦探测器继续穿过辐射带运行期间，它们还在采集有关其他一系列波动以及粒子运动的信息，这些都可以帮助改进辐射带的模型。
马里兰州劳雷尔（Laurel）约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的范艾伦探测器任务科学家巴里·莫克（Barry Mauk）说：“范艾伦探测器上的仪器设计目标是以空前的全面性和保真度提供地球辐射带核心区域的数据。像这项新研究这样使用这样的能量来获取对地球空间环境运转机制的新认识是非常让人满足的。”
应用物理实验室为NASA的科学任务理事会建造了范艾伦探测器。范艾伦探测器是NASA的“与星同在”计划中第二个任务，该计划由戈达德中心管理，旨在探索日地联合系统直接影响日常生活和社会的特性。
更多关于NASA范艾伦探测器的信息请访问http://www.nasa.gov/vanallenprobes。
（全文完）
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