一項新實驗證實了極光背後的“舊”猜想

天空中舞動的唯美極光，是地球上最令人歎為觀止的景象之一。但多年以來，這種現象產生的原因並沒有被完全理解。

在最近一篇發表在《自然·通訊》上的論文中，科學家通過在地面模擬極光，最終將極光中粒子的加速機制指向了阿爾文波。

阿爾文波概念已誕生近80年

眾所周知，極光是由太陽風暴吹來的粒子產生的，這些被加速的粒子沿着地球的磁感線匯聚到高緯度地區，然後如雨點般擊中上層大氣，與大氣中的粒子互相作用形成了天空中閃耀的光幕。

如今，科學家們通過在實驗室中複製該過程，首次證明並確認了粒子加速發生的機制。正如科學家們所想的那樣，正是被稱為阿爾文波（Alfvén waves）的強大電磁波在沿着磁感線加速電子。

美國愛荷華大學的物理學家Craig Kletzing説：“這些電磁波可以為創造極光的電子提供能量的想法，可以追溯到40多年前，但這是我們第一次能夠明確證實它的作用。這些實驗讓我們進行了關鍵測量，表明空間測量和理論確實解釋了產生極光的主要方式。”

阿爾文波並不是很新的概念。它的概念是由諾貝爾獎得主、瑞典物理學家漢尼斯·阿爾文（Hannes Alfvén）在1942年首次描述的，即一種導電流體中沿着磁感線方向傳播的橫波。這種波是磁流體力學系統中能量和動量傳輸的重要機制。也就是説，它可以加速粒子。

阿爾文波在地球磁感線中已經被觀測到了，而航天器甚至在極光之上觀察到了朝向地面的阿爾文波。人們普遍認為阿爾文波在極光的電子加速中發揮了作用，但查明確切的作用機制並不容易。

使用大型等離子體裝置進行實驗

因此，由美國惠頓學院的物理學家Jim Schroeder領導的一組科學家使用加州大學洛杉磯分校的大型等離子體裝置（LAPD）仔細地觀察了這一現象。LAPD是一個長20米、直徑1米的圓柱形真空艙，其中擁有強大的磁場。

美國加州大學洛杉磯分校的物理學家Troy Carter説：“這項具有挑戰性的實驗需要測量極少量的電子，其數量不到等離子體中電子的千分之一，這些電子以幾乎與阿爾文波相同的速度沿LAPD艙移動。”

研究小組在LAPD艙的等離子體中生成了阿爾文波，同時在與極光形成相似的條件下測量電子速度分佈。他們發現阿爾文波通過波共振將能量傳遞給電子，共振的速度類似於波的相速度。

愛荷華大學的物理學家Greg Howes説：“測量表明，這一小羣電子在阿爾文波的電場作用下經歷了‘共振加速’，類似於衝浪運動員緊跟浪頭，隨着波浪移動而不斷加速。”

這個過程被稱為朗道阻尼（Landau damping），因為能量從波到粒子的傳遞對波造成了阻尼，從而防止出現不穩定性。根據研究小組的分析，電子速度產生的特徵是朗道阻尼的已知特徵，這表明發生了共振加速。

通過將他們的結果與極光模型進行比較，研究小組能夠證明電子的通電率（energization rate）與現實中的朗道阻尼一致。

研究人員寫道：“實驗和極光模型之間每個電子的通電率是一致的。這一結果證實了最終所需要的關聯，並且表明我們已經給出了直接的實驗確證，即阿爾文波可以加速沉降到電離層中的電子，併產生迷人耀眼的極光。”

（Michelle Starr撰文、Jubilee翻譯，據《環球科學》）