地球辐射带中，高能粒子的运动方式一直是科学家们关注的焦点。这些粒子被行星磁场束缚，形成甜甜圈形状的区域，不仅存在于地球周围，还出现在土星、木星及其卫星木卫三，甚至超冷褐矮星周围。然而，理解这些区域内粒子的精确运动并非易事，因为高能粒子会损坏卫星、干扰通信，并给太空任务带来复杂挑战。
近期，国际空间科学研究所（ISSI）的研究团队在《物理评论研究》上发表了一项新研究，指出航天器测量的有限分辨率可能掩盖了高能粒子群中的精细结构，导致原本可预测的运动看起来像随机扩散。这一发现对科学家们解读航天器数据以及构建地球和其他行星周围危险空间环境的模型提出了新挑战。
研究团队由伯明翰大学和捷克科学院的专家牵头，他们发现，当局部高能粒子群在辐射带磁场中漂移时，其初始有序的分布会逐渐形成复杂结构。然而，航天器对这些结构的采样分辨率有限，导致测量中丢失精细细节，留下平滑的模式，这种模式看起来与粒子随机扩散造成的特征相似。
赫尔辛基大学的第一作者Adnane Osmane博士解释说，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。但他们的研究结果表明，一些观测结果也可以用完全不同的过程来解释。关键在于，仅凭观测可能无法区分扩散性和非扩散性传输。
为了说明这一问题，研究者用艺术领域的类比进行解释。杰克逊·波洛克的画作以密集的线条和泼溅图案著称，而马克·罗斯科的作品则常常由宽阔、平滑的色块构成。当波洛克的画作在没有足够细节的情况下观看时，复杂的图案会消失，看起来与罗斯科的作品相似。同样地，由有序粒子运动产生的丝状结构在航天器无法分辨时仍然存在，导致复杂的动力学现象看起来平滑且类似扩散。
伯明翰大学的合著者奥利弗·阿兰森博士表示，这一发现对科学家们关于辐射带运作方式的假设提出了挑战。60多年来，科学家们一直将辐射带观测结果解读为粒子以随机扩散方式传播的证据。但现在，他们可能需要重新思考如何模拟和预测地球、其他行星甚至遥远褐矮星周围的危险空间环境。
通讯作者、捷克科学院的米雷克·汉泽尔卡博士进一步指出，仅使用一艘航天器时，空间结构与时间演化难以区分，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。这为未来采用科学卫星星座在多个位置同时观测相同粒子群的任务提供了充分理由。
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，共同研究空间科学中存在已久的问题。通过超越扩散：用非线性动力学推进地球辐射带模型的项目，他们希望为科学家们提供更准确的工具来解读航天器数据，并构建更精确的粒子加速和传输模型。
