与太阳共舞

（文 / 苗千）

( 美国物理学家詹姆斯·范·艾伦 )

“我们无可避免地跟自己保持陌生，我们不明白自己，我们搞不清楚自己，我们的永恒判词是：离每个人最远的，就是他自己。──对于我们自己，我们不是知者……”尼采这样描述一个人试图认识自己真实的一面时的最大障碍。不仅人类如此，我们的行星想要真正理解自己，也并不是一件容易的事。我们所生存和依赖的地球被它的大气层所包裹，地球的表面有山川河流，还有炽热的地心，但是要想更加深入地了解地球，非常重要的一点就是研究地球与距离它最近的恒星——太阳之间的关系。

太阳是对于地球来说至关重要的一颗恒星。地球的存在，很大程度上依赖着太阳，太阳的一举一动，都会带给地球极大影响。直到20世纪，人类才认识到了在地球内部存在着一个巨大的磁体；直到20世纪30年代，人类才了解地球磁场的结构，不仅由地球本身决定，也会受到来自太阳的影响。为了研究太阳－地球这个对于人类来说最重要的天体系统，美国航空航天局（NASA）启动了“与星球共存计划”（Living With a Star Program）。

作为“与星球共存计划”的一部分，在2012年8月30日，两个相同的被命名为“辐射带风暴探测器”（Radiation Belt Storm Probes）的辐射探测器被送上地球轨道，用来探测围绕地球的“范艾伦辐射带”（Van Allen Radiation Belts）。这两个探测器〔在2012年11月9日被更名为“范艾伦探测器”（Van Allen Probes）〕装备了高能粒子、等离子体、磁场和等离子体波传感器，用来详细探测地球上空辐射带的情形。两个探测器不仅被设计得非常灵敏，而且也异常坚固，因为它们需要在地球上空最危险的区域探测高能带电粒子，在这个区域内活动的高能粒子可以轻易穿透1厘米厚的铝板，会给在这个区域内工作的用于通讯和定位的卫星造成破坏，在地球轨道上工作的哈勃望远镜甚至也会受到它的影响。正因为这个原因，这个对于人类来说重要又危险的区域的每一个变化都会给人类社会带来巨大的影响，对于这个区域的详细研究也就显得尤为重要。

这个高能区域就是由人类的第一颗人造卫星——“探险者1号”在1958年升空后首次发现的范艾伦辐射带，它以领导这个项目的物理学家詹姆斯·范·艾伦（James Van Allen）的名字命名。这个辐射带主要是由地球磁场捕获的高能带电粒子组成，它又主要分为内外两层：辐射带的内层主要分布在距离地面大约100～1万公里的范围内，主要是由带正电的高能粒子（主要是高能质子）构成；而外层分布在距离地面大约1万～6万公里的范围内，主要由带负电的高能电子组成。在这内外两层之间，又存在着一个狭窄的缝隙。

范艾伦辐射带的内层相对稳定，外层则相对活跃得多。主要以高能电子构成的外层在太阳风暴的袭击下，会以发生急剧的膨胀或者收缩来应对，并且同时会从太阳风暴中捕获大量的带电粒子。尽管范艾伦辐射带已经被发现超过了半个世纪，它们的存在和结构都已经被写进教科书，目前也存在着各种各样的理论试图解释这两个辐射带的结构，但实际上，人类对它仍然知之甚少。因为范艾伦辐射带内的高能粒子可以给探测器带来巨大的伤害，人类此前只能在辐射带边缘进行零星探测，从来没有真正深入到辐射带的中心进行探测研究。因此，第一次深入到辐射带中心，并且计划在两年内探测辐射带各个区域的范艾伦探测器也就自然被人们寄予极大的希望，探索这个对人类至关重要的区域，并且理解地球与太阳之间的相互作用。

科学家们希望借助范艾伦探测器在辐射带中心了解三个主要问题：第一，辐射带中的高能量粒子从何而来？第二，这些高能粒子消失于何处？又是什么机制促使这些粒子消失？第三，这些改变对于地球的磁气圈有什么影响？为了配合范艾伦探测器理解这三个主要问题，作为“与星球共存计划”的另一部分，另一个主要由美国达特茅斯学院负责的名为“相对论电子衰减气球阵列”（Balloon Array For RBSP Relativistic Electron Losses）的任务也开始实施，从2012年12月开始，研究人员在南极地区陆续把20个同样大小的白色气球释放到高空中，这些装备着探测器的气球将在南极上空飘荡，在底层探测逃离范艾伦辐射带的高能粒子的去向。

这个项目的科学家们希望通过这两个任务的相互配合来详细了解范艾伦辐射带，但是就在范艾伦探测器升空后的几天，它们就观测到了一个令科学家们之前无法想象的现象——另外一条主要由高能电子构成的辐射带出现在内外两层范艾伦辐射带之间——这个足以改写人类教科书的发现，向科学家们展示了一个更加难以理解的范艾伦辐射带。

在范艾伦探测器升空后的第三天，控制探测器的科学家们比原计划更早地打开了探测器上装备的相对论电子质子望远镜（Relativistic Electron Proton Telescope），希望能与另外一个项目，在1992年7月升空的主要在近地轨道工作的“太阳，反常现象及磁层粒子探测器”（Solar Anomalous Magnetospheric Particle Explorer）获得的观测数据进行比较。正是这个计划之外的举动，使得探测器发现了远比科学家们想象的更活跃的辐射带。望远镜开启后马上就观测到了一个正在进行的电子加速现象：能量在200万电子伏左右的高能电子被加速到了3倍以上的能量；随后，望远镜在开启后两天，就发现了让人意想不到的第三条辐射带。

这个人类首次观测到的第三条辐射带，一直持续了长达4个星期的时间，直到之后在2012年10月1日发生的一次更猛烈的行星际冲击波摧毁了处于中间的第三条辐射带，也使外层辐射带几乎消失。描述这一发现的论文《长时间存在的相对论电子存储环嵌入地球的外层范艾伦带》（A Long-Lived Relativistic Electron Storage Ring Embedded in Earth's Outer Van Allen Belt），在2013年2月28日发表于《科学》杂志上。

承担范艾伦探测器任务的科学家、这篇论文的第一作者、科罗拉多大学物理学家丹尼尔·贝克（Daniel Baker）认为，第三条辐射带的出现可能与太阳活动有关，就在探测器上的设备开启之前，太阳活动增强，太阳风向地球辐射了更多的能量，范艾伦辐射带的外层因此膨胀，吸纳了更多的高能带电粒子，第三条辐射带很有可能也是因此相应出现。太阳的剧烈活动是地球范艾伦辐射带结构形成的重要原因，而目前正处于太阳活动11年周期的一个顶峰，这种第三条中间辐射带的出现，有可能会是一种经常出现的现象。

至今为止，尽管大多数科学家都相信太阳活动与辐射带结构的变化有关，但是科学家们仍然难以理解两者之间的确切关系：在太阳活动强烈时，范艾伦辐射带有时会剧烈膨胀，有时反而会收缩，有时甚至没有什么反应，目前并没有一个合适的理论可以解释两者之间的关系以及其中的原因。

地球的范艾伦辐射带所蕴含的高能粒子总量，可能是由粒子加速、运输和损耗等多种因素共同决定的一个复杂过程，人类目前远还没有真正理解它的运作原理。通过这次探测，人们了解范艾伦辐射带的活动比人们之前想象的更加活跃。这个包裹着地球的高能量辐射带，可以看作是地球与太阳相互作用的一个交界面。太阳对于地球来说，至关重要又充满着危险，地球上的生命需要太阳提供的能量，但是太阳辐射的高能量粒子又可能给人类社会带来危害。范艾伦辐射带的存在，屏蔽了大部分来自宇宙中的高能粒子，保护地球上的生命，但是对于在那个区域运行的卫星和准备进行太空旅行的人类来说，又充满了危险和挑战，这种奇妙而又复杂的关系，可能正是地球这颗蓝色星球与它邻近恒星的共存之道。

（本文参考了美国航空航天局网站的资料） 范艾伦辐射带共舞科学太阳