揭開脈動極光的起源之謎

○ 脈動極光是一種特別類型的北極光，會在夜空中閃爍。| 圖片來源：ERG Science Team

當來自太陽的高速粒子流（太陽風）進入地球的磁氣圈時，靠近南北兩極的區域會出現絢爛奪目的極光。在距離地表上千公里的高空，極光閃耀著或綠、或紅、或紫的光芒，是夜空中最美的演出。

在各種各樣的極光中，常在黎明時出現的脈動極光（pulsating aurora）卻產生於幾萬公里之遠的磁氣圈，但極光脈動的物理機制一直未通過觀測驗證。直到最近，脈動極光多彩絢麗背後的關鍵機制才終被首次觀測到，科學家將這一發現發表在了2月15日的《自然》雜誌上[1]。

根據之前的研究，一直以來這種脈動極光被認為是由電磁波起伏觸發的，這種波動產生於赤道的磁氣圈，被稱為合唱波（chorus wave）。科學家認為合唱波在磁氣圈沿著地球的磁場線向地球大氣的上端發射電子，當它們與空氣中的分子碰撞時便會產生光。

○ 脈動極光是一種特別類型的北極光，會在夜空中閃爍。在圍繞地球的磁氣圈中，電子被困在磁場中，並沿著磁場線運動（紅色箭頭）。當這些粒子與電磁波（即合唱波）相互作用時，它們會被指引到地球的大氣層，隨即產生極光。研究人員利用航天器（圖中顯示的位置）直接探測到了合唱波和電子間的作用。| 圖片來源：Nature

然而，幾十年來科學家一直無法在適當的時間和位置收集到足夠靈敏的地基和天基觀測數據，因此無法證明這一模型：具體說來，首個挑戰便是需要一台高解析度的地基觀測儀器，以獲得對空間電子進行原位測量的數據。另一難題是要確定穿過太空航天器的場線與地面接觸的位置，因為我們無法看見磁場，所以判斷場線與地球接觸的位置以及相同場線在空間中的位置是極其困難的。好在繞地球運動的電子傾向於緊跟這些場線移動。當這些粒子與合唱波相互作用時，它們會被引導進入高層大氣區域——即電離層，也就是通常產生極光的地方。這允許我們能即時看到相關的場線。

在克服了這兩個困難之後，研究人員終於收集到了導致脈動極光的直接證據。由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）於2016年底發射的Arase太空船收集到的大量數據，Arase 既可以探測合唱波，也可以在磁場線周圍的狹窄範圍內探究它們對磁氣圈電子的影響。

○ 探測器Arase於2016年12月20日發射，並於2017年3月23日開始進行測量。Arase觀測到了合唱波和磁氣圈的散射電子，這是脈動極光的起源。| 圖片來源：ERG Science Team

研究人員指出了Arase航天器所檢測到的磁場線與地球接觸的位置。經確認發現，2017年在加拿大中部出現的極光是由合唱波散射的磁氣圈電子所產生的。東京大學的太空和行星物理學家 Satoshi Kasahara 是這項研究的第一作者，對於此次發現他說：「天文的觀測結果通常來說都非常複雜，對理論預測的驗證通常會產生模稜兩可的結果，但這次的情況卻並非如此。」Arase 航天器上載有的電子感測器，是由 Kasahara 和他的團隊專門設計的，對由合唱波驅動的極光電子的相互作用能進行精確地觀測。

他們從位於加拿大中部的全天空成像儀的測量數據中識別出信號，讓我們可以看到完整的脈動極光產生的過程：太空中電子布居的波動；導致這些波動的合唱波；和來自地面的極光強度變化。極光產生的最後一步與我們在老式電視機上觀影有點類似，電離層就像是投射電子的「屏幕」。

在 Kasahara 等人進行的分析中，他們將空間中的電子波動和合唱波與全天空成像儀在地面上看到的脈動極光信號相關聯。這一步驟是揭示場線所在大氣中精確位置的關鍵。而這一技術具有極大的潛力來改進現有的磁場模型。科學家計劃將與世界各地多所高等院校和研究機構合作，進一步拓展這一研究。

Kasahara說：「通過更全面地分析從 Arase 航天器上收集到的數據，我們將揭示與等離子物理有關的更多可變性和細節，以及由此產生的大氣現象，如極光。」

參考來源：

[1] https://www.nature.com/articles/nature25505

[2] https://www.nature.com/articles/d41586-018-01669-z#ref-CR4

[3] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-02/uot-doa020818.php

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