在浩瀚無垠的宇宙中，有一種神秘的“合唱”在時(shí)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(dòng)——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(tài)，甚至引發(fā)地球上壯觀的極光現(xiàn)象。
然而，這些神秘的波動(dòng)背后隱藏著怎樣的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制？它為何能在遠(yuǎn)離地球的深空中產(chǎn)生？這些問題困擾了科學(xué)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(xué)曹晉濱院士團(tuán)隊(duì)與來自美國和瑞典的科研人員合作，在《自然》雜志上發(fā)布最新研究成果。他們首次在地球中性片中觀測(cè)到重復(fù)的上升調(diào)合聲波，并揭示了其背后的非線性能量轉(zhuǎn)移機(jī)制。該成果被評(píng)價(jià)為“在令人驚訝的區(qū)域出現(xiàn)的令人驚訝的結(jié)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(dòng)”，是一種廣泛存在于地球和其他行星磁層中的電磁波動(dòng)。因其電磁信號(hào)轉(zhuǎn)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(dòng)，卻潛藏著危機(jī)。
合聲波不僅能夠?qū)⒌湍茈娮蛹铀僦涟偃f電子伏特的高能狀態(tài)，從而對(duì)航天器的穩(wěn)定運(yùn)行和航天員的健康安全構(gòu)成威脅，還與地球極區(qū)脈動(dòng)極光的產(chǎn)生密切相關(guān)。此外，它甚至能夠誘發(fā)嘶聲波，改變近地空間高能電子輻射帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響空間天氣環(huán)境的發(fā)展與演化。
自20世紀(jì)50年代以來，合聲波一直是空間物理學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。然而，盡管合聲波已被研究了70多年，其產(chǎn)生和傳播機(jī)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(duì)等離子體相關(guān)領(lǐng)域具有重要意義。”論文第一作者、北京航空航天大學(xué)空間與地球科學(xué)學(xué)院曹晉濱院士團(tuán)隊(duì)成員劉成明指出，“例如，在核聚變領(lǐng)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(lǐng)域。它能在極小的空間和時(shí)間尺度內(nèi)將電子能量提升5個(gè)數(shù)量級(jí)，是宇宙空間中已知的最強(qiáng)‘加速器’之一。”
劉成明認(rèn)為，之所以合聲波爭議持續(xù)了70年都沒有結(jié)論，主要原因在于合聲波一直被認(rèn)為與行星的偶極磁場(chǎng)密切相關(guān)，以往的研究主要集中在地球偶極磁場(chǎng)控制的近地區(qū)域，且從未直接測(cè)量過合聲波內(nèi)部的能量交換。
探索“無人區(qū)”：中性片中的新突破
與以往在地球偶極磁場(chǎng)中的研究不同，曹晉濱院士團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將目光聚焦于地球中性片這一特殊區(qū)域。地球中性片是地球磁場(chǎng)中一個(gè)獨(dú)特的區(qū)域，它位于地球磁場(chǎng)的尾部，磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且與地球偶極磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)明顯不同。
研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)美國國家航空航天局（NASA）的國際地球磁層多尺度衛(wèi)星（MMS衛(wèi)星）觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首次在地球中性片中發(fā)現(xiàn)了重復(fù)出現(xiàn)的上升調(diào)合聲波，并直接測(cè)量了合聲波內(nèi)部的非線性場(chǎng)-粒子能量交換。
過去70多年里，學(xué)術(shù)界一直認(rèn)為合聲波僅能在地球偶極磁場(chǎng)控制的近地區(qū)域出現(xiàn)。
但新的研究成果帶來了不同的發(fā)現(xiàn)。“我們發(fā)現(xiàn)，在距離地球16萬公里的非偶極磁場(chǎng)中性片區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)合聲波，其產(chǎn)生機(jī)制與傳統(tǒng)的合聲波產(chǎn)生機(jī)制截然不同，來自非線性波粒相互作用。”劉成明解釋，“這一發(fā)現(xiàn)意味著，合聲波可能普遍存在于整個(gè)宇宙空間。”
劉成明認(rèn)為，該成果最顯著的突破是打破了學(xué)術(shù)界70年以來的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，極大地拓展了合聲波研究的范圍。
至于合聲波是如何產(chǎn)生的，研究團(tuán)隊(duì)首次觀測(cè)到了“空穴”現(xiàn)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(gè)“能量發(fā)射器”，能夠發(fā)射出電磁波，也就是我們觀測(cè)到的合聲波。
借助高時(shí)間分辨率的觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)了合聲波的局部生成是由電子運(yùn)動(dòng)引起的，并量化了波與電子之間的能量轉(zhuǎn)移速率。他們研究發(fā)現(xiàn)，波強(qiáng)度與能量轉(zhuǎn)移速率之間存在強(qiáng)相關(guān)性，這表明更強(qiáng)的能量轉(zhuǎn)移會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)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(shí)了電子洞或‘空穴’的關(guān)鍵作用，如果能夠通過人工手段填補(bǔ)這些洞或‘空穴’，那么合聲波將無法產(chǎn)生，也就不會(huì)給我們帶來輻射危害。”
解鎖“新密碼”：合聲波的應(yīng)用之路
對(duì)于該成果，英國皇家學(xué)會(huì)院士理查德·霍恩教授評(píng)價(jià)：“新發(fā)現(xiàn)的合聲波在以往認(rèn)為不可能出現(xiàn)的區(qū)域出現(xiàn)，是一個(gè)在令人驚訝的區(qū)域出現(xiàn)的令人驚訝的結(jié)果。同時(shí)，首次觀測(cè)到的相空間電子洞是一個(gè)非凡的發(fā)現(xiàn)。劉等人的工作不僅加深了我們對(duì)合聲波的理解，還將極大提升我們對(duì)高能電子輻射帶的預(yù)報(bào)能力。”
只有團(tuán)隊(duì)做出“令人驚訝”發(fā)現(xiàn)的人才知道，這項(xiàng)研究的挑戰(zhàn)性有多大。“我們必須首先突破自身認(rèn)知的瓶頸。傳統(tǒng)認(rèn)知根深蒂固，特別是已經(jīng)存在70多年的觀點(diǎn)，我們也深受影響。”劉成明說，研究團(tuán)隊(duì)深入探索非線性理論，又對(duì)海量衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了細(xì)致分析，最終才得以從傳統(tǒng)認(rèn)知的束縛中解脫出來。
不僅如此，打破傳統(tǒng)認(rèn)知的發(fā)現(xiàn)，需要經(jīng)歷更為嚴(yán)格的檢驗(yàn)。“我們花了大量時(shí)間去分析數(shù)據(jù)，驗(yàn)證我們的假設(shè)。”劉成明回憶，“當(dāng)我們看到那些重復(fù)的上升調(diào)合聲波時(shí)，我們才確信我們找到了新的東西。”
談及未來的研究計(jì)劃，劉成明說：“在曹老師的指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深入探索合聲波背后的非線性機(jī)制，特別是其普遍性和作用條件。同時(shí)，我們還將致力于合聲波的預(yù)防和控制研究，以助力實(shí)現(xiàn)對(duì)空間天氣的精確預(yù)報(bào)。我們希望我們的研究能夠?yàn)槲磥淼目臻g科學(xué)探索保駕護(hù)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(wèi)星數(shù)據(jù)。“目前國內(nèi)尚未有類似MMS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，但相信未來會(huì)有很多。我們期待能夠利用國內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進(jìn)一步拓展合聲波的研究。”劉成明說。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08402-z
本文鏈接：顛覆70年認(rèn)知，中國科學(xué)家揭秘“太空合聲”之謎http://www.lensthegame.com/show-11-17013-0.html
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