科学家让粒子在Alfvén波上“冲浪”并解决了北极光一大谜团

原标题：科学家让粒子在Alfvén波上“冲浪”并解决了北极光一大谜团 来源：cnBeta.COM

据外媒报道，数千年来，充满高纬度地区天空的绚丽北极光一直吸引着人们。现在，一组科学家已经解开了围绕其起源的最后谜团之一。科学家们知道，作为“太阳风”的一部分，从太阳散发出的电子和其他被激发的粒子沿地球磁场线加速进入上层大气，在那里它们跟氧和氮分子碰撞进而进入激发态。

然后这些分子释放出光并由此产生美丽的绿色和红色极光。

然而人们还不清楚的是，电子群是如何在最后一段旅程中通过磁场加速达到4500万mph的速度的。在2021年6月7日发表在《Nature Communications》上的一项研究中，来自加州大学洛杉矶分校、惠顿学院、爱荷华大学和空间科学研究所的物理学家们回答了这个问题。

一个流行的理论是电子搭乘Alfvén波--一种宇宙飞船经常发现的沿着极光上方磁场线向地球传播的电磁波。虽然天基研究为这一理论提供了强有力的支持，但航天器测量的固有局限性阻碍了最终测试。

为了克服这些限制，物理学家们在加州大学洛杉矶分校的基础等离子体科学设施（一个由美国能源部和国家科学基金会共同支持的国家合作研究基地）的大型等离子体设备上进行了实验室实验。

研究团队在复制了模拟地球极光磁层的条件后使用经过专门设计的仪器沿着等离子体装置20米长的腔室发射了Alfvén波。由于Alfvén波被认为只收集空间等离子体中的一小部分电子，物理学家们专注于确定是否有电子以类似于波的电场的速度移动。

加州大学洛杉矶分校的物理学教授、该学校等离子体科学技术研究所负责人Troy Carter表示：“这具有挑战性的实验需要测量非常小的电子群，它们几乎以跟Alfvén波相同的速度向下移动，小于等离子体中电子的千分之一。“

“测量显示，这一小群电子经历了Alfvén波的电场的‘共振加速’，类似于一个冲浪者抓住一个波并随着波的移动而不断加速，”爱荷华大学的物理学副教授Gregory Howes说道。

Howes指出，这些Alfvén波出现在地磁暴之后，地磁暴是由太阳上的剧烈事件如太阳耀斑和日冕物质抛射引发的天基现象。这些风暴会导致地球磁场中所谓的“磁重联”，即磁力线像橡皮筋一样被拉伸、折断然后重新连接。这些变化会沿着向地球的方向发射Alfvén波。

Carter表示，由于在风暴期间，磁场重新连接的区域发生了变化，且Alfvén波及其伴随的冲浪电子会在这段时间内沿着不同的磁力线移动，所以最终会导致极光的光幕发出微弱的光芒。

在物理学中，电子在波的电场上冲浪是一种被称为朗道阻尼的现象，在这种现象中，波的能量被转移到加速粒子上。作为他们研究的一部分，该团队使用了一种创新的分析技术，即将Alfvén波的电场和电子的测量结合起来，然后通过朗道阻尼产生一个独特的电子加速度特征。通过数值模拟和数学建模，研究人员证实了实验中测量的加速度特征跟预测的朗道阻尼特征一致。

Carter称，实验、模拟和建模的一致性提供了第一个直接的测试，它表明了Alfvén波可以产生加速的电子进而导致极光的产生。