地球16万公里外，那潜藏危机的“百鸟齐鸣”，揭秘

文 ｜ 《中国科学报》 实习生 葛家诺 记者 倪思洁

在浩瀚无垠的宇宙中，有一种神秘的“合唱”时刻在上演。“合唱”源自地球和行星空间一种神奇的电磁波动——合声波。它就像太空中的“加速器”，能够把低能量的电子加速到高能量状态，甚至引发地球上壮观的极光现象。神秘的波动背后隐藏着怎样的能量转移机制？它为何能在远离地球的深空中产生？这些问题困扰了科学家70多年。直到最近，这一宇宙奥秘才被揭开。

近日，中国科学院院士、北京航空航天大学教授曹晋滨团队与美国、瑞典的科研人员合作，在《自然》发表研究成果。他们首次在地球中性片观测到重复的上升调合声波，并揭示了背后的非线性能量转移机制。

合声波在地球磁层空间中的空间分布。受访者供图

宇宙“加速器”：

合声波的神秘能量

合声波，全称“哨声模式合声波动”，是一种广泛存在于地球和其他行星磁层的电磁波动。其电磁信号转化为声音后，宛如清晨群鸟的合唱。然而，合声波听起来美妙，却潜藏着危机。

合声波不仅能将低能电子加速至百万电子伏特的高能状态，对航天器的稳定运行和航天员的健康安全构成威胁，还与地球极区脉动极光的产生密切相关。它甚至能改变近地空间高能电子辐射带结构，进而影响空间天气环境的发展与演化。

自20世纪50年代以来，合声波一直是空间物理学研究的前沿热点。尽管合声波已被研究了70多年，但其产生和传播机制仍充满争议。

“探明合声波背后涉及的基本等离子体物理过程，对等离子体相关领域具有重要意义。”论文第一作者、曹晋滨团队成员刘成明指出，“例如，在核聚变领域，它能够帮助我们更好地理解磁约束难题。合声波研究还可拓展至高能物理领域。它能在极小的空间和时间尺度内将电子能量提升5个数量级，是宇宙空间中已知的最强‘加速器’之一。”

刘成明认为，合声波争议之所以持续70多年，主要原因在于合声波一直被认为与行星的偶极磁场密切相关，以往的研究主要集中在地球偶极磁场控制的近地区域，且从未直接测量过合声波内部的能量交换。

探索“无人区”：

中性片中的新突破

与以往研究不同，曹晋滨团队另辟蹊径，将目光聚焦于地球中性片这一特殊区域。地球中性片位于地球磁场尾部，磁场结构复杂且与地球偶极磁场的结构明显不同。

研究团队通过对美国国家航空航天局（NASA）的国际地球磁层多尺度卫星（MMS卫星）观测数据进行分析，首次在地球中性片发现了重复出现的上升调合声波，并直接测量了合声波内部的非线性场-粒子能量交换。

过去，学术界一直认为合声波仅在地球偶极磁场控制的近地区域出现。但新的研究成果带来了不同的认知。

“我们发现，在距离地球16万公里的非偶极磁场中性片区域也会出现合声波，其产生机制与传统的合声波产生机制截然不同，来自非线性波粒相互作用。”刘成明解释说，“这一发现意味着，合声波可能普遍存在于整个宇宙空间。”该成果极大拓展了合声波研究的范围。

至于合声波是如何产生的，研究团队首次观测到“空穴”现象。这些“空穴”可以被形象地理解为电子在太空中“挖”出的小洞。在合声波中，电子的分布并不均匀，在某些方向上变得特别稀疏，从而形成“空穴”。这些“空穴”就像一个“能量发射器”，能够发射电磁波，即人们观测到的合声波。

借助高时间分辨率的观测数据，研究团队确认了合声波的局部生成是由电子运动引起的，并量化了波与电子之间的能量转移速率。他们发现，波强度与能量转移速率存在强相关性，这表明更强的能量转移会产生更强烈的合声波。

刘成明表示，这一新成果有望为有效防御或减轻合声波的威胁提供理论支持。“我们的工作证实了电子洞或‘空穴’的关键作用。如果能够通过人工手段填补这些洞或‘空穴’，那么合声波将无法产生，也就不会给我们带来辐射危害。”

解锁“新密码”：

合声波的应用之路

对于该成果，英国皇家学会会士理查德·霍恩评价：“新发现的合声波在以往认为不可能出现的区域出现，是一个在令人惊讶的区域出现的令人惊讶的结果。同时，首次观测到的相空间电子洞是一个非凡的发现。这项工作不仅加深了我们对合声波的理解，还将极大提升我们对高能电子辐射带的预报能力。”

只有团队成员才知道，这项研究的挑战性有多大。“我们必须突破自身认知的瓶颈，要知道，传统认知根深蒂固。”刘成明说，团队深入探索非线性理论，对海量卫星数据进行了细致分析，最终得以从传统认知的束缚中解脱出来。

不仅如此，成果还经历了更为严格的检验。“我们花了大量时间分析数据、验证假设。”刘成明回忆，“当我们看到那些重复的上升调合声波时，才确信找到了新的东西。”

谈及未来的研究计划，刘成明说：“团队将继续深入探索合声波背后的非线性机制，特别是其普遍性和作用条件。我们还将致力于合声波的预防和控制研究，助力空间天气的精确预报。希望研究能够为未来空间科学探索保驾护航。”

他们也期待，有一天能在研究过程中用上我国的卫星数据。“目前国内尚无类似MMS卫星的数据，但相信未来会有很多。我们期待能利用国内的卫星数据，进一步拓展合声波研究。”刘成明说。