我们终于知道是什么引发了北极光

如果你身处北纬或南纬足够高的地方，在晴朗的夜晚，你可能会看到一场令人着迷的自然光秀，即极光。科学家们早就知道太阳风暴是造成这些舞动的光幕的原因，但直到现在他们还没有证实其潜在机制：寻求刺激的电子。

这并不是一个轻易就能发现的发现。发表在《自然》杂志上的这一最新证据是二十多年研究的成果。

当太阳风暴、太阳辐射和带电粒子爆发撞击地球高层大气的磁场时，就会出现极光。但接下来会发生什么呢？

科学家们提出了一个理论：阿尔文波。把磁场想象成一张线网。如果你拉伸这些线，当这些线试图弹回原位时，就会产生阿尔文波。它相当于沿着绳子冲浪的磁场波。

当太阳风暴席卷地球时，它们会使地球磁场线发生弯曲。科学家认为由此产生的阿尔文波会加速电子。就像滑雪者踩着破损的滑雪板从山上飞奔而下一样，这些电子会撞上我们大气中的氧原子和氮原子。激发的原子会释放出新获得的能量，形成我们所知的耀眼极光。

爱荷华大学物理学家克雷格·克莱辛格等科学家早在 20 世纪 90 年代就预测到了这种类似橡皮筋的序列。但他们没有进行测试。通过航天器观察大气层很难做到这一点。所以他们决定自己制造等离子体溅射。

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你无法在实验室中真正复制外太空。“但我们可以集中精力研究特定条件或特定机制，”费城郊外布林茅尔学院的实验等离子体物理学家戴维·沙夫纳 (David Schaffner) 表示，他没有参与这项研究。

在这里，这意味着要创造他们自己的阿尔文波。芝加哥郊区惠顿学院的物理学家、这篇论文的主要作者詹姆斯·施罗德说：“制造阿尔文波的方法是在磁化等离子体中产生扰动”，磁化等离子体是磁场与离子和电子等热带电粒子汤的结合。

幸运的是，研究人员可以借助地面上的设备：加州大学洛杉矶分校基础等离子体科学设施的大型等离子体装置。

这个名字直白的装置是一个像树干一样宽、像保龄球道一样长的管子，管子里包裹着磁场线圈。通过向管子中注入气体并发射电子束，科学家可以快速制造出磁化等离子体。事实上，科学家每秒就能制造一次。

“我们在利用该设备发射阿尔文波方面拥有丰富的经验，”等离子体设施负责人特洛伊·卡特 (Troy Carter) 说道。“这就是建造该设备的目的。”

然而，尽管该装置已用于各种各样的研究——从超新星到核聚变——但当 Kletzing 和他的同事于 1999 年第一次带着阿尔文波想法去洛杉矶时，极光还不在该名单上。

爱荷华大学理论等离子体物理学家格雷戈里·豪斯说：“最初，他认为这将需要大约三年时间......”

这项工作最终耗时二十多年，并需要六名研究生的贡献。

技术挑战十分艰巨。首先，不是任何阿尔文波都能产生这种效果。研究人员必须制造一个天线，能够发射振幅足以加速电子的阿尔文波。

接下来，研究人员需要找到一种方法来观察特定的电子。“等离子体中只有大约千分之一的电子真正与这种波相互作用，”豪斯说。“在这种等离子体中被加速的电子比典型的电子速度快得多。因此测量它们极其困难。”

他们通过向磁场发射更多波来实现这一点。但这些被称为“哨声波”的波对电子极其敏感。科学家可以利用它们来追踪甚至快速移动的电子。这是核聚变研究人员常用的一种方法，但经过多年的改进，这些极光专家能够将其用于他们的阿尔文波。

为了分析数据，豪斯和一名研究生采用了一种用于航天器计算的技术，将电磁测量与电子测量相结合，以生成独特的“特征”。通过这种方式，他们可以判断电子是否真的在阿尔文波上运动。

“这是我们第一次在实验室测量中使用它，”豪斯说。“这实际上就像拼图的最后一块拼图，‘嘿，我们实际上已经完成了我们想要的测量。’”

完成所有这些之后，科学家们终于可以测试他们的极光理论了，并一次又一次地向电子发射阿尔文波。

“我们已经做了 65,000 次实验，”施罗德说。“这听起来确实令人印象深刻，但该设备的设置方式是为这种高重复性而设计的。因此实验每秒运行一次。”总共 65,000 秒——或大约 18 小时。

通过研究结果，科学家们发现原本就快速移动的电子实际上被加速了，有点像冲浪。“你必须以非常接近波浪的速度划桨，”豪斯说，“然后波浪会开始将你卷起，你开始沿着波浪的前端滑动，随着波浪的移动获得能量。”

重要的是，这些电子的行为正如 Kletzing 和他的同事所预测的那样。在阿尔文波的加速下，这些电子的能量激增到足够高的能量，如果它们在极地天空中航行，它们可能会引发极光。

“这确实……是我们很多人都渴望实现的工作，将所有这些不同的元素结合在一起，”沙夫纳说。

这是一项重大成就，但极光远非一门定论的科学。还有各种未解问题。爱荷华团队的研究仅关注离散极光，也就是通常在照片中看到的强烈极光。“这项研究并未解答其他类型的极光，”施罗德说，“它们是如何形成的。”

为了了解太阳的更多细节，等离子体科学家正热切关注帕克太阳探测器，它将于 2024 年进入太阳运行轨道。

沙夫纳说：“在靠近太阳的地方观察到的这些情况，为寻找可能进一步探究正在发生的事情的实验室实验提供了肥沃的土壤。”