危及卫星、宇航员和飞机的高能粒子从何而来？

几十年来，科学家们一直在努力解决一个关于外太空天气的棘手问题：在不可预测的时间，高能粒子用辐射轰击地球和地球大气层外的物体，可能危及宇航员的生命并摧毁卫星的电子设备。这些耀斑甚至会引发辐射阵雨，强到足以到达飞越北极的飞机上的乘客。尽管科学家们尽了最大的努力，但如何以及何时爆发的明确模式仍然难以确定。

哥伦比亚大学天文系和天体物理实验室的卢卡.科米索和洛伦索.西罗尼在《天体物理杂志快报》上发表了一篇论文，他们利用超级计算机模拟了高能粒子在湍流环境中诞生的时间和方式，比如在太阳大气中。这项新研究为更准确地预测这些粒子何时会发生危险爆发铺平了道路。

科米索说：“这项令人兴奋的新研究将使我们能够更好地预测太阳高能粒子的起源，并改进太空天气事件的预测模型，这是美国宇航局和全球其他太空机构和政府的一个关键目标。”。他补充说，在未来几年内，美国国家航空航天局的帕克太阳探测器是离太阳最近的航天器，可能能够通过直接观察太阳外层大气中产生的高能粒子的预测分布来验证论文的发现。

在他们的论文《全动力等离子体湍流中的离子和电子加速》中，科米索和西罗尼证明了太阳外层大气中的磁场可以加速离子和电子，使其速度接近光速。太阳和其他恒星的外层大气由等离子体状态的粒子组成，这是一种与液体、气体和固体状态不同的高度湍流状态。科学家们长期以来一直认为太阳的等离子体会产生高能粒子。但等离子体中的粒子移动如此不稳定和不可预测，以至于直到现在，他们还无法完全证明这是如何和何时发生的。

利用哥伦比亚大学、美国宇航局和国家能源研究科学计算中心的超级计算机，科米索和西罗尼创建了计算机模拟，显示了太阳等离子体中电子和离子的精确运动。这些模拟模拟了太阳上的大气条件，并提供了迄今为止收集到的关于高能粒子形成方式和时间的最广泛数据。

这项研究为科学家们研究了至少70年的问题提供了答案：1949年，物理学家恩里科·费米开始研究外层空间的磁场，作为观察到的进入地球大气层的高能粒子（他称之为宇宙射线）的潜在来源。从那时起，科学家们一直怀疑太阳的等离子体是这些粒子的主要来源，但要确切证明这一点很困难。

科米索和西罗尼的研究是在美国宇航局和国家科学基金会的支持下进行的，其影响远远超出了我们自己的太阳系。宇宙中绝大多数可观测的物质都处于等离子体状态。理解构成等离子体的一些粒子如何被加速到高能水平是一个重要的新研究领域，因为高能粒子不仅在太阳周围，而且在整个宇宙的其他环境中，包括黑洞和中子星的周围，都经常被观察到。

尽管科米索和西罗尼的新论文关注的是太阳，但可以在其他情况下进行进一步的模拟，以了解遥远的恒星、黑洞和宇宙中的其他实体将如何以及何时产生自己的能量爆发。

科米索说：“我们的研究结果以太阳为中心，但也可以作为更好地理解高能粒子是如何在更遥远的恒星和黑洞周围产生的一个起点。”。“超级计算机模拟可以告诉我们这些粒子是如何在整个宇宙中诞生的，我们只触及了表面。”