在浩瀚無垠的宇宙中，有一種神秘的“合唱”在時刻上演。這種“合唱”并非來自樂器或歌聲，而是源自地球和行星空間中一種神奇的電磁波動——合聲波。它就像太空中的“加速器”，能夠把低能量的電子加速到高能量狀態，甚至引發地球上壯觀的極光現象。
然而，這些神秘的波動背后隱藏著怎樣的能量轉移機制？它為何能在遠離地球的深空中產生？這些問題困擾了科學家們70多年，直到最近，這一宇宙奧秘終于被揭曉。
1月23日，北京航空航天大學曹晉濱院士團隊與來自美國和瑞典的科研人員合作，在《自然》雜志上發布最新研究成果。他們首次在地球中性片中觀測到重復的上升調合聲波，并揭示了其背后的非線性能量轉移機制。該成果被評價為“在令人驚訝的區域出現的令人驚訝的結果”。
合聲波在地球磁層空間中的空間分布。受訪者供圖
宇宙“加速器”：合聲波的神秘能量
合聲波，全稱“哨聲模式合聲波動”，是一種廣泛存在于地球和其他行星磁層中的電磁波動。因其電磁信號轉化為聲音后，宛如清晨群鳥的合唱，故得此名。然而，這一聽似美妙的波動，卻潛藏著危機。
合聲波不僅能夠將低能電子加速至百萬電子伏特的高能狀態，從而對航天器的穩定運行和航天員的健康安全構成威脅，還與地球極區脈動極光的產生密切相關。此外，它甚至能夠誘發嘶聲波，改變近地空間高能電子輻射帶結構，進而影響空間天氣環境的發展與演化。
自20世紀50年代以來，合聲波一直是空間物理學研究的前沿熱點。然而，盡管合聲波已被研究了70多年，其產生和傳播機制仍充滿爭議。
“合聲波背后涉及的基本等離子體物理過程，對等離子體相關領域具有重要意義。”論文第一作者、北京航空航天大學空間與地球科學學院曹晉濱院士團隊成員劉成明指出，“例如，在核聚變領域，它能夠幫助我們更好地理解磁約束難題。此外，合聲波研究還可拓展至高能物理領域。它能在極小的空間和時間尺度內將電子能量提升5個數量級，是宇宙空間中已知的最強‘加速器’之一。”
劉成明認為，之所以合聲波爭議持續了70年都沒有結論，主要原因在于合聲波一直被認為與行星的偶極磁場密切相關，以往的研究主要集中在地球偶極磁場控制的近地區域，且從未直接測量過合聲波內部的能量交換。
探索“無人區”：中性片中的新突破
與以往在地球偶極磁場中的研究不同，曹晉濱院士團隊另辟蹊徑，將目光聚焦于地球中性片這一特殊區域。地球中性片是地球磁場中一個獨特的區域，它位于地球磁場的尾部，磁場結構復雜且與地球偶極磁場的結構明顯不同。
研究團隊通過對美國國家航空航天局（NASA）的國際地球磁層多尺度衛星（MMS衛星）觀測數據進行分析，首次在地球中性片中發現了重復出現的上升調合聲波，并直接測量了合聲波內部的非線性場-粒子能量交換。
過去70多年里，學術界一直認為合聲波僅能在地球偶極磁場控制的近地區域出現。
但新的研究成果帶來了不同的發現。“我們發現，在距離地球16萬公里的非偶極磁場中性片區域也會出現合聲波，其產生機制與傳統的合聲波產生機制截然不同，來自非線性波粒相互作用。”劉成明解釋，“這一發現意味著，合聲波可能普遍存在于整個宇宙空間。”
劉成明認為，該成果最顯著的突破是打破了學術界70年以來的傳統觀點，極大地拓展了合聲波研究的范圍。
至于合聲波是如何產生的，研究團隊首次觀測到了“空穴”現象。這些“空穴”可以被形象地理解為電子在太空中“挖”出的小洞。在合聲波中，電子的分布并非均勻，而是在某些方向上變得特別稀疏，從而形成“空穴”。這些“空穴”就像是一個“能量發射器”，能夠發射出電磁波，也就是我們觀測到的合聲波。
借助高時間分辨率的觀測數據，研究團隊確認了合聲波的局部生成是由電子運動引起的，并量化了波與電子之間的能量轉移速率。他們研究發現，波強度與能量轉移速率之間存在強相關性，這表明更強的能量轉移會導致更強烈的合聲波。
劉成明表示，這一新的研究成果有望為有效防御或減輕合聲波的威脅提供理論支持。“我們的工作證實了電子洞或‘空穴’的關鍵作用，如果能夠通過人工手段填補這些洞或‘空穴’，那么合聲波將無法產生，也就不會給我們帶來輻射危害。”
解鎖“新密碼”：合聲波的應用之路
對于該成果，英國皇家學會院士理查德·霍恩教授評價：“新發現的合聲波在以往認為不可能出現的區域出現，是一個在令人驚訝的區域出現的令人驚訝的結果。同時，首次觀測到的相空間電子洞是一個非凡的發現。劉等人的工作不僅加深了我們對合聲波的理解，還將極大提升我們對高能電子輻射帶的預報能力。”
只有團隊做出“令人驚訝”發現的人才知道，這項研究的挑戰性有多大。“我們必須首先突破自身認知的瓶頸。傳統認知根深蒂固，特別是已經存在70多年的觀點，我們也深受影響。”劉成明說，研究團隊深入探索非線性理論，又對海量衛星數據進行了細致分析，最終才得以從傳統認知的束縛中解脫出來。
不僅如此，打破傳統認知的發現，需要經歷更為嚴格的檢驗。“我們花了大量時間去分析數據，驗證我們的假設。”劉成明回憶，“當我們看到那些重復的上升調合聲波時，我們才確信我們找到了新的東西。”
談及未來的研究計劃，劉成明說：“在曹老師的指導下，團隊將繼續深入探索合聲波背后的非線性機制，特別是其普遍性和作用條件。同時，我們還將致力于合聲波的預防和控制研究，以助力實現對空間天氣的精確預報。我們希望我們的研究能夠為未來的空間科學探索保駕護航。”
他們也期待著有一天能夠在研究過程中用上我國自己的衛星數據。“目前國內尚未有類似MMS衛星的數據，但相信未來會有很多。我們期待能夠利用國內的衛星數據，進一步拓展合聲波的研究。”劉成明說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08402-z
本文鏈接：顛覆70年認知，中國科學家揭秘“太空合聲”之謎http://m.lensthegame.com/show-11-17013-0.html
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