范艾伦辐射带形成粒子的超级加速器

　　两个一组的范艾伦探测器在距离地球较近的外太空辐射带巡游，它们在辐射带的中心区域发现了自然生成的粒子加速器，超级粒子加速器位于近地太空最苛刻的区域。科学家发现了两条、或三条粒子活动剧烈的辐射带，他们将近地太空辐射剧烈的区域称之为范艾伦辐射带。在范艾伦探测器的帮助下，科学家在范艾伦辐射带的中心区域发现了超级加速器。范艾伦辐射带中的太空粒子被类加速器的磁场效应加速到接近光的速度、或粒子被加速到光速的99以上。位于辐射带的加速器如何形成？加速器的超级能量从何而来？科学家没有给出清晰的答案。
　　从NASA的范艾伦探测器传回的数据显示，超级加速器的能量来源于辐射带，太空粒子在辐射带强大能量的作用下被加速到接近光速，电磁场能量对粒子的冲击好像人们在荡秋千时受到的有节律的人力推动，荡秋千的高度越来越高，速度越来越快。范艾伦辐射带内的粒子被本地能量推动的过程好像地球飓风的形成，横扫地面的飓风在本地能量的推动下极速成长，海洋区域温暖的海水形成了飓风的能量。范艾伦辐射带的能量来源于辐射带内超强的电磁波、或电磁场的巨大能量驱动带电粒子的高速运动。
　　在范艾伦辐射带内存在电磁场加速器的作用机制，认识辐射带的特性对改进太空气象的预报有帮助。近地辐射带对近地卫星构成了危害，《科学》杂志发表了范艾伦项目团队的成果。为了更好地理解范艾伦辐射带的性质，NASA在2012年8月发射了两个范艾伦探测器，深入虎穴、或直接穿越辐射带的探测器携带了最高目标：太空粒子在辐射带如何被加速到超高速度。辐射带本地的超高能量形成了对粒子的冲击力，形成了驱动粒子高速运动的机制，获得了探测器的第一手资料，科学家第一次回答了辐射带性质的谜题。
　　范艾伦探测器项目的主要科学家戴维西贝克解释说，位于马里兰州绿地的NASA戈达德太空飞行中心负责探测卫星的管控，将探测器送达辐射带的中心，这是发射计划的预定目标，在辐射带发现超级加速器、理解了它的能量形成机制，这是一项令人期待和振奋的成果。为了证实范艾伦辐射带的存在，NASA发射了探索者1号和探索者3号，它们是首次发射到近地太空辐射带的探测器。近地辐射带对宇宙飞船形成潜在的最大危害，多数太空卫星尽量避开辐射带的影响，或者在辐射带的内侧运行（靠近地球），或者在辐射带的外侧运行（远离地球），GPS导航卫星通常飞行在两个辐射带之间的轨道。
　　太空天气变化可能导致辐射带的膨胀，范围扩大的辐射带可能覆盖原先在辐射带以外的宇宙飞船，使得飞行器暴露在危险的辐射中，强烈辐射将造成对宇宙飞船永久性损毁，预先警报变得十分重要，科学家开发了预警的防范技术，在理解了辐射带神秘的动力学机制之后，科学家开发了安全保护技术，免除了飞船和宇航员受到的毁灭性袭击。
　　杰夫里夫斯在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯实验室开展近地辐射带的研究，作为发表在《科学》的论文第一作者，他认为在1990年代之前，人们相信近地辐射带的物理性能相当稳定，辐射带行为良好、动作规范、缓慢地发生变化，然而，项目团队的成果显示，过去的印象只是一种表象，范艾伦辐射带绝非风平浪静之地，它的变化之快达到了难以预测的程度，辐射带的剧烈变化从未达到稳定的平衡，它始终处于持续的变化之中。
　　辐射带对由外在物理因素引起的变动没有表现一致性的特点，比如：太阳风暴对辐射带的激发作用令人困惑，辐射带在一些太阳风暴的情形中得到了增强，而在另一些太阳风暴的情形中得到了消弱，有一些太阳风暴似乎没有对辐射带产生任何的影响。相似的太阳风暴事件对辐射带的影响有如此的不同，这说明范艾伦辐射带比科学家之前的了解更为神秘，在太阳风暴加强了辐射带强度的情形中，更强的辐射能量如何加速了辐射带内的太空粒子？这是科学家感兴趣的问题。
　　双胞胎范艾伦探测器区分了两种法则，一种是径向加速度的法则，另一种是本地能量的加速度法则，两种法则可能将粒子运动加速到令人称奇的程度。在径向加速度法则的情形中，粒子的运行轨迹与环绕地球的磁场成垂直角度，远离地球区域的粒子遭遇了低一些的磁场强度；接近地球区域粒子遭遇了高一些的磁场强度，粒子在磁场强度差的作用下遵循物理规律的支配，从低磁场强度运动到高磁场强度的地方，从而产生了加速运动的过程，粒子在朝向地球运动的过程中不断获得加速的能量，好像一块岩石从山坡上滑落下来，山顶的势能高，山底的势能低，岩石在势能差的作用下滑落的速度越来越大。
　　粒子在本地能量作用下获得了加速度，物理学家有一种理论假设：粒子在本地能量场获得的加速效应好像海洋风暴、或飓风的形成，风暴或飓风的能量来源于本地的海水，它们在热水的海面逐渐形成，向某个方向快速地移动。为了区分在范艾伦辐射带粒子获得加速的两种可能性法则，科学家设计了两个一组的范艾伦探测器，它们同时测量太空的两个区域，以传感器来测量粒子的能量、位置和它们与地球磁场形成的运动夹角，通过对两个探测器的资料进行对比，科学家确定了被加速粒子的能量来源，从径向加速度和本地能量加速度的两种法则中选出一种。
　　2012年10月9日，里夫斯的团队发现，辐射带内的一些高能电子出现能量快速增长的过程，如果径向加速度的法则正确，那么电子在径向运动的过程中将首先从远离地球的低磁场区域出发，到达接近地球的高磁场区域，电子不断从低能级区域跃迁到高能级区域，好像高山峡谷的瀑布从高处冲下低处，动能不断加大的水流最后猛烈地撞击瀑布之下的水面，好像岩石从山坡上滑落下来，跌落到山谷的岩石获得了最大的冲击力。里夫斯的团队没有发现径向加速度的情形，他们没有看到电子从远离地球的一端向接近地球的一端移动。电子能量的增强效应发生在辐射带的正中间，电子向辐射带的内外两侧同时传播，好像在海平面形成的飓风。
　　以一颗卫星探测器穿越辐射带，只能获得单一的数据，不能发现其它区域同时性的能量变化，以两颗卫星探测器穿越辐射带，科学家能够观测辐射带不同区域同时性的物理变化参数。观测数据证实了本地能量的加速机制，辐射带的本地能量是一种电磁场能，辐射带电磁波能量的增强产生了超级加速器的机制。辐射带的超强粒子和电磁波可能摧毁卫星设施，而学家对辐射带中粒子和电磁波的性质缺少精确的认识，比如：范艾伦探测器观测到一种合唱波，这种波产生了加速粒子的效应，然而，科学家不能解释辐射带中波和粒子的作用规律。
　　既然本地能量来源于辐射带的电磁波，那么科学家需要确定电磁波和磁场的性质，它们如何形成了对辐射带粒子的推动作用。范艾伦探测器能够区分不同类型的电磁波，它开启了粒子在辐射带如何获得加速的基本知识的大门。两个范艾伦探测器携带了五组恒定的仪器，两个探测飞船能够检测磁场分布、电磁波和粒子的性能，科学家获得了最好的科学平台，他们可以更好地理解近地太空范艾伦辐射带的性质。约翰霍普金斯大学应用物理实验室接受了NASA科学使命委员会的委托，负责设计和建造了双胞胎范艾伦探测器，该项目被纳入到一个更大的科学探索使命计划，戈达德太空飞行中心主要负责对太阳与地球物理联系的探索，而地球和太阳的互动直接影响了生命和人类社会活动和进化。