科學家讓粒子在Alfvén波上「沖浪」並解決了北極光一大謎團

據媒體報導,數千年來,充滿高緯度地區天空的絢麗北極光一直吸引著人們。現在,一組科學家已經解開了圍繞其起源的最後謎團之一。科學家們知道,作為「太陽風」的一部分,從太陽散發出的電子和其他被激發的粒子沿地球磁場線加速進入上層大氣,在那里它們跟氧和氮分子碰撞進而進入激發態。

然後這些分子釋放出光並由此產生美麗的綠色和紅色極光。

科學家讓粒子在Alfvén波上「沖浪」並解決了北極光一大謎團

然而人們還不清楚的是,電子群是如何在最後一段旅程中通過磁場加速達到4500萬mph的速度的。在2021年6月7日發表在《Nature Communications》上的一項研究中,來自加州大學洛杉磯分校、惠頓學院、愛荷華大學和空間科學研究所的物理學家們回答了這個問題。

科學家讓粒子在Alfvén波上「沖浪」並解決了北極光一大謎團

一個流行的理論是電子搭乘Alfvén波–一種宇宙飛船經常發現的沿著極光上方磁場線向地球傳播的電磁波。雖然天基研究為這一理論提供了強有力的支持,但太空飛行器測量的固有局限性阻礙了最終測試。

為了克服這些限制,物理學家們在加州大學洛杉磯分校的基礎等離子體科學設施(一個由美國能源部和國家科學基金會共同支持的國家合作研究基地)的大型等離子體設備上進行了實驗室實驗。

研究團隊在復制了模擬地球極光磁層的條件後使用經過專門設計的儀器沿著等離子體裝置20米長的腔室發射了Alfvén波。由於Alfvén波被認為只收集空間等離子體中的一小部分電子,物理學家們專注於確定是否有電子以類似於波的電場的速度移動。

加州大學洛杉磯分校的物理學教授、該學校等離子體科學技術研究所負責人Troy Carter表示:「這具有挑戰性的實驗需要測量非常小的電子群,它們幾乎以跟Alfvén波相同的速度向下移動,小於等離子體中電子的千分之一。「

科學家讓粒子在Alfvén波上「沖浪」並解決了北極光一大謎團

「測量顯示,這一小群電子經歷了Alfvén波的電場的『共振加速』,類似於一個沖浪者抓住一個波並隨著波的移動而不斷加速,」愛荷華大學的物理學副教授Gregory Howes說道。

Howes指出,這些Alfvén波出現在地磁暴之後,地磁暴是由太陽上的劇烈事件如太陽耀斑和日冕物質拋射引發的天基現象。這些風暴會導致地球磁場中所謂的「磁重聯」,即磁力線像橡皮筋一樣被拉伸、折斷然後重新連接。這些變化會沿著向地球的方向發射Alfvén波。

Carter表示,由於在風暴期間,磁場重新連接的區域發生了變化,且Alfvén波及其伴隨的沖浪電子會在這段時間內沿著不同的磁力線移動,所以最終會導致極光的光幕發出微弱的光芒。

在物理學中,電子在波的電場上沖浪是一種被稱為朗道阻尼的現象,在這種現象中,波的能量被轉移到加速粒子上。作為他們研究的一部分,該團隊使用了一種創新的分析技術,即將Alfvén波的電場和電子的測量結合起來,然後通過朗道阻尼產生一個獨特的電子加速度特徵。通過數值模擬和數學建模,研究人員證實了實驗中測量的加速度特徵跟預測的朗道阻尼特徵一致。

Carter稱,實驗、模擬和建模的一致性提供了第一個直接的測試,它表明了Alfvén波可以產生加速的電子進而導致極光的產生。

來源:cnBeta