在晴朗的夜晚，如果你身处高纬度的北部或南部地区，你可能会看到一种令人着迷的自然光秀——极光。科学家们早就知道太阳风暴是这些舞动的光幕的罪魁祸首，但直到现在，他们还没有证实其根本机制：那些追逐刺激的电子。
这不是轻易得来的发现。这篇发表在《自然》杂志上的最新证据，是二十多年研究的成果。
当太阳风暴（太阳爆发出的辐射和带电粒子）袭击地球高层大气中的磁场时，就会出现极光。但之后发生了什么？
科学家们有一个理论：阿尔芬波。想象一下磁场就像一张网。如果你拉伸这些磁感线，当它们试图恢复原状时，就会产生阿尔芬波。这就像磁场的波在弦上冲浪一样。
当太阳风暴席卷地球时，它们会扰乱地球磁场的磁感线。科学家们认为，由此产生的阿尔芬波会加速电子。就像一个滑雪者骑着坏掉的滑雪板在山顶上飞驰一样，这些电子随后会撞入我们大气层中的氧原子和氮原子。被激发的原子会释放它们新获得的能量，从而产生我们所知的耀眼极光。
像爱荷华大学物理学家 Craig Kletzing 这样的科学家早在 20 世纪 90 年代就预测到了这种橡皮筋般的序列。但他们尚未进行验证。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一次等离子体爆发。
“我们无法真正复制实验室里的外太空。”“但我们可以聚焦于特定的条件或特定的机制，”不在本次研究中的布林莫尔学院（费城郊外）的实验等离子体物理学家 David Schaffner 说。
在这里，这意味着要制造他们自己的“波浪”般的阿尔芬波。“制造阿尔芬波的方法是在磁化等离子体中产生扰动，”磁场与像离子和电子这样的高温带电粒子混合物相结合，这是惠顿学院（芝加哥郊区）的物理学家、该论文的首席作者 James Schroeder 说。
幸运的是，研究人员可以在地面上找到一个实验装置：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管子，宽度像树干一样粗，长度像保龄球道一样长，周围环绕着磁场线圈。通过向其中填充气体并将其电子束射入，科学家们可以快速制造出磁化等离子体。事实上，科学家们每秒可以进行一次实验。
“我们在这个装置中拥有丰富的发射阿尔芬波的经验，”等离子体设施主任 Troy Carter 说。“它就是为此而建的。”
但尽管该装置已被用于各种研究——从超新星到核聚变——但当 Kletzing 和他的同事们在 1999 年首次带着阿尔芬波的想法来到洛杉矶时，极光并不在其中。
“起初，”爱荷华大学理论等离子体物理学家 Gregory Howes 说，“他认为这只需要大约三年时间……”
最终花了二十多年，并得到了半打研究生贡献。
技术挑战是艰巨的。首先，并非任何阿尔芬波都可以。研究人员必须制造一个能够发射具有足够幅度以加速电子的阿尔芬波的天线。
接下来，研究人员需要找到一种方法来观察特定的电子。“等离子体中每十万个电子中只有大约一个真正与这个波相互作用，”Howes 说。“正在被加速的电子是那些比普通电子速度快得多的电子。所以测量它们非常困难。”
他们通过向磁场中发射更多波来做到这一点。但这些被称为“ Whistler 波”的波对电子非常敏感。科学家们可以用它们来追踪即使是快速移动的电子。这是聚变研究人员常用的方法，但在经过多年的反复试验后，这些极光专家能够将其用于阿尔芬波。
为了分析他们的数据，Howes 和一名研究生采用了一种在航天器计算中使用的技术，结合电磁测量和电子测量，生成了一个独特的“签名”。由此，他们可以判断电子是否真的在随着阿尔芬波运动。
“这是我们第一次在实验室测量中使用它，”Howes 说。“这确实是解开谜团的最后一块拼图，让我们能够说：‘嘿，我们终于完成了我们想要进行的测量。’”
一旦所有这些都完成，科学家们终于可以测试他们的极光理论——一次又一次地发射阿尔芬波轰击电子。
“我们已经做了 65,000 次实验，”Schroeder 说。“这听起来确实很厉害，但是装置的设计就是为了高重复性。所以实验每秒运行一次。”总共是 65,000 秒，或者大约 18 小时。
从结果来看，科学家们发现，那些已经快速移动的电子确实是正在被加速的电子，有点像冲浪。“你必须划得非常接近波的速度，”Howes 说。“然后波就能开始把你带起来，你就能沿着波浪的前面滑行，随着它一起前进，能量也随之增加。”
重要的是，他们的电子表现得正如 Kletzing 和他的同事们预测的那样。被阿尔芬波加速后，这些电子 surge 到的能量足以在极地天空中触发极光。
“这真是……那种我们很多人都渴望实现的工作，能够将所有这些不同的元素结合在一起，”Schaffner 说。
这是一项重大成就，但极光科学远未定论。还有许多悬而未决的问题。爱荷华团队的研究只关注了离散极光，也就是图片中通常看到的强烈那种。“这项研究并没有解释其他类型的极光，”Schroeder 说。“那些是如何形成的。”
为了揭示更多关于太阳发出的物质的细节，等离子体科学家们正热切关注着帕克太阳探测器，它将于 2024 年部署到太阳附近。
“太阳附近看到的那些条件，”Schaffner 说。“这是识别可能进一步探索正在发生的事情的实验室实验的沃土。”
