科学家在数十年航天器数据中发现隐藏问题_科技资讯

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2026-08-19 15:30:32

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航天器的测量可能会使地球辐射带中高度有序的粒子运动看起来随机，这可能会掩盖驱动这些危险环境的物理机制。来源：Shutterstock

不同过程会产生相似的航天器观测结果，这使得很难确定粒子如何穿过地球辐射带。

穿越地球辐射带的航天器可以记录粒子行为，这些行为看起来是随机的，即使其背后的运动是高度有序的。新研究表明，航天器测量的有限分辨率会掩盖高能粒子群中的精细结构，使可预测的运动看起来像扩散。

国际空间科学研究所（ISSI）的研究团队由伯明翰大学和捷克科学院牵头，在《物理评论研究》中报告称，结构明确的粒子运动产生的观测结果，与通常被认为是随机散射的模式几乎难以区分。

这给试图了解辐射带的研究人员带来了一个基本问题。两种截然不同的物理机制最终可能留下本质上相同的观测特征。

辐射带是由行星磁场束缚的高能粒子组成的环形区域。地球并非唯一拥有辐射带的天体。土星、木星及其卫星木卫三周围都存在类似的辐射带，此外还有最近发现的极冷褐矮星。了解这些区域内粒子的运动方式很重要，因为高能粒子会损坏卫星、干扰通信并使太空任务变得复杂。

当局部的高能粒子群在辐射带磁场中漂移时，它们最初有序的分布会逐渐形成越来越复杂的结构。然而，航天器对这些结构的采样分辨率有限。因此，细微的细节可能会在测量中消失，只留下一种平滑的模式，这种模式看起来像是扩散的，即使粒子实际上并未经历扩散过程。

航天器可以模糊可预测的运动。

赫尔辛基大学的第一作者AdnaneOsmane博士表示：60多年来，航天器观测结果通常使用基于扩散的模型来解释。我们的研究结果表明，一些观测结果也可以用一种根本不同的过程来解释。关键信息不是扩散不会发生，而是仅凭观测结果可能并不总能区分扩散性和非扩散性传输。

这对于我们如何解读航天器数据以及构建地球和其他行星周围危险太空环境的模型具有重要意义。如果不同的物理过程在观测中看起来相似，我们就需要谨慎推断其背后的物理原理。

这种效应的出现是因为航天器遇到了以略微不同速度绕行星运行的粒子。这些微小的差异将有组织的粒子群拉伸成越来越精细的结构。一旦航天器无法再分辨这些细节，所得的测量结果就可能与粒子被波随机散射时预期的特征相似，即使这种散射并未发生。

伯明翰大学的合著者奥利弗阿兰森博士表示：60多年来，科学家们一直将辐射带观测结果解释为粒子以随机扩散的方式在太空中传播的证据。我们的研究结果挑战了这些关于辐射带如何运作的假设——这表明我们可能需要重新思考如何建模和预测地球、其他行星甚至遥远褐矮星周围的危险空间环境。

辐射带中含有高能粒子，这些粒子会损坏卫星、干扰通信并影响太空任务。我们的研究表明，这对科学家解读航天器数据以及构建粒子加速和传输模型有着重大影响——这促使研究人员重新评估数十年来的解读成果。

丢失的细节会模拟扩散

研究人员用一个从艺术领域取材的类比来说明这个问题。杰克逊波洛克的画作中有密集的线条、泼溅痕迹和丝状图案，而马克罗斯科的作品则常常由大片平整的色块构成。

这种对比关注的是当精细结构变得无法看清时会发生什么。波洛克的画作在观察时缺乏足够细节的情况下，并不会在物理上变成罗斯科的画作。相反，一些复杂的图案只是对观察者而言消失了。同样地，由有序粒子运动产生的丝状结构即使在航天器无法分辨它们时仍然存在，导致复杂的动力学现象看起来平滑且类似扩散。

波洛克的《炼金术》（1947年）和罗斯科1949年的《无题（紫罗兰色、黑色、橙色、黄色与白色和红色）》便是这种对比的例证。

通讯作者、来自捷克科学院的米雷克汉泽尔卡博士表示，使用单颗航天器时，很难区分空间结构和时间演变，因此截然不同的物理过程可能会留下极为相似的观测特征。这有力地说明了未来任务应使用科学卫星星座的必要性，这些卫星星座能够在多个位置同时观测相同的粒子群。

因此，同时使用多颗科学卫星可以帮助研究人员区分在空间中发生的变化和随时间推移而出现的变化，从而更清晰地验证究竟是哪种物理过程在辐射带中移动粒子。

这项研究是ISSI国际团队合作产出的首批科学出版物之一，该团队汇集了航天器观测、理论物理和计算建模领域的专家，以研究空间科学中存在已久的问题。

参考文献10.11035mmnfm2p

本研究得到伯尔尼国际空间科学研究所（ISSI）的支持，通过ISSI国际团队项目超越扩散：利用非线性动力学推进地球辐射带模型（ISSI团队项目编号25640）。