在浩瀚无垠的宇宙中，有一种神秘的“合唱”在时刻上演。这种“合唱”并非来自乐器或歌声，而是源自地球和行星空间中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。

然而，这些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们70多年，直到最近，这一宇宙奥秘终于被揭晓。

1月23日，北京航空航天大学曹晋滨院士团队与来自美国和瑞典的科研人员合作，在《自然》杂志上发布最新研究成果。他们首次在地球中性片中观测到重复的上升调合声波，并揭示了其背后的非线性能量转移机制。该成果被评价为“在令人惊讶的区域出现的令人惊讶的结果”。

合声波在地球磁层空间中的空间分布。受访者供图

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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中的电磁波动。因其电磁信号转化为声音后，宛如清晨群鸟的合唱，故得此名。然而，这一听似美妙的波动，却潜藏着危机。

合声波不仅能够将低能电子加速至百万电子伏特的高能状态，从而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。此外，它甚至能够诱发嘶声波，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。然而，尽管合声波已被研究了70多年，其产生和传播机制仍充满争议。

“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、北京航空航天大学空间与地球科学学院曹晋滨院士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。此外，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，之所以合声波争议持续了70年都没有结论，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

与以往在地球偶极磁场中的研究不同，曹晋滨院士团队另辟蹊径，将目光聚焦于地球中性片这一特殊区域。地球中性片是地球磁场中一个独特的区域，它位于地球磁场的尾部，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，首次在地球中性片中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70多年里，学术界一直认为合声波仅能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发现。“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，“这一发现意味着，合声波可能普遍存在于整个宇宙空间。”

刘成明认为，该成果最显著的突破是打破了学术界70年以来的传统观点，极大地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了“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，电子的分布并非均匀，而是在某些方向上变得特别稀疏，从而形成“空穴”。这些“空穴”就像是一个“能量发射器”，能够发射出电磁波，也就是我们观测到的合声波。

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。他们研究发现，波强度与能量转移速率之间存在强相关性，这表明更强的能量转移会导致更强烈的合声波。

刘成明表示，这一新的研究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，英国皇家学会院士理查德·霍恩教授评价：“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。刘等人的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。”

只有团队做出“令人惊讶”发现的人才知道，这项研究的挑战性有多大。“我们必须首先突破自身认知的瓶颈。传统认知根深蒂固，特别是已经存在70多年的观点，我们也深受影响。”刘成明说，研究团队深入探索非线性理论，又对海量卫星数据进行了细致分析，最终才得以从传统认知的束缚中解脱出来。

不仅如此，打破传统认知的发现，需要经历更为严格的检验。“我们花了大量时间去分析数据，验证我们的假设。”刘成明回忆，“当我们看到那些重复的上升调合声波时，我们才确信我们找到了新的东西。”

谈及未来的研究计划，刘成明说：“在曹老师的指导下，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。同时，我们还将致力于合声波的预防和控制研究，以助力实现对空间天气的精确预报。我们希望我们的研究能够为未来的空间科学探索保驾护航。”

他们也期待着有一天能够在研究过程中用上我国自己的卫星数据。“目前国内尚未有类似MMS卫星的数据，但相信未来会有很多。我们期待能够利用国内的卫星数据，进一步拓展合声波的研究。”刘成明说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08402-z