科學家們利用美國西南研究院（SwRI）領導的磁層多尺度任務（MMS）的數據來解釋銀河宇宙射線（GCR）中存在的高能重元素。 銀河系宇宙射線是由快速移動的高能粒子組成的，大部分是稱為質子的氫離子，是宇宙中最輕和最豐富的元素。 科學家們長期以來一直在爭論GCR中的微量重離子是如何被加速的。

垂死的恆星的超新星爆炸產生巨大的衝擊波，在周圍的空間傳播，將其路徑上的離子加速到非常高的能量，形成GCR。 重離子如何被激發和加速是很重要的，因為它們影響了整個宇宙中品質的重新分配，對於形成更重的、化學上更複雜的元素是必不可少的。 它們還影響到我們對天體物理結構的感知方式。

“重離子被認為對傳入的衝擊波不敏感，因為它們的數量較少，而衝擊能量絕大部分被佔優勢的質子所消耗。 想像一下站在沙灘上，波浪移動你腳下的沙子，而你卻留在原地，”SwRI的Hadi Madanian博士說，他是發表在《天體物理學雜誌》上關於這項研究論文的主要作者。 “然而，關於重離子在衝擊條件下的行為的主流觀點並不總是我們在對近地空間環境的高解析度MMS觀測中所看到的。”

衝擊現象也發生在近地環境中。 太陽的磁場被超音速的太陽風帶過行星際空間，太陽風被地球的磁層阻擋和轉移，磁層是我們母星周圍的保護「氣泡」。。 這個相互作用的區域由於其彎曲的形狀而被稱為「弓形衝擊」。 地球的弓形震蕩形成的規模比超新星震蕩小得多。 然而，在某些時候，這種小型衝擊的條件與超新星殘餘物的條件相似。 研究小組利用MMS航太器在弓形衝擊的高解析度原位測量，研究重離子是如何被加速的。

“我們觀察到弓形衝擊附近磁場的強烈放大，這是一個與超新星殘骸等強衝擊有關的已知特性。 然後我們分析了不同的離子種類在遇到弓形衝擊時是如何表現的，”Madanian說。 “我們發現，這些增強的場明顯地改變了重離子的軌跡，將它們重新導向衝擊的加速區。”

雖然這種行為沒有預期會發生在重離子上，但研究小組在α粒子中發現了這個過程的直接證據，這些氦離子的質量是質子的四倍，電荷是質子的兩倍。

“MMS 觀測的卓越解析度讓我們對衝擊波如何激發重元素有更清晰的瞭解。 我們將能夠利用這種新的理解來改進我們在天體物理衝擊下宇宙射線加速的計算機模型，”這篇論文的共同作者、倫敦瑪麗女王大學的數學和天文學教授David Burgess說。 “新的發現對宇宙射線的組成和觀察到的天體物理結構的輻射光譜有重大影響。”