據外媒報道，在高緯度地區天空出現的極光，或稱北極光，幾千年來一直讓人們着迷。但它們是如何產生的，雖然有理論依據，但沒有得到確切的證明。在一項新研究中，由愛荷華大學領導的一個物理學家小組報告了明確的證據，即最璀璨壯麗的極光是由地磁暴期間的強大電磁波產生的。這種現象被稱為阿爾芬波，它加速電子向地球移動，導致粒子產生熟悉的大氣“燈光秀”。
這項研究於6月7日在線發表在《自然-通訊》雜誌上，它結束了數十年來的探索，即在與地球極光磁層相應的條件下，通過實驗證明阿爾芬波加速電子的物理機制。
愛荷華大學物理和天文學系副教授、研究報告共同作者Greg Howes說：“測量結果顯示，這一小部分電子在阿爾芬波的電場作用下經歷了‘共振加速’，類似於衝浪者抓住一個波浪，在衝浪者隨波逐流時不斷被加速。”
科學家們已經知道，從太陽發出的高能粒子–例如以大約每小時4500萬英里的速度飛馳的電子–沿着地球的磁場線沉澱到大氣層上部，在那裡它們與氧氣和氮氣分子碰撞，使它們處於一個激髮狀態。這些受激分子通過發光而放鬆，產生了極光的五彩繽紛的色調。
該理論得到了航天器任務的支持，這些任務經常發現阿爾芬波在極光上方向地球移動，可能沿途加速了電子。雖然基於空間的測量支持了這一理論，但航天器和火箭測量的固有限制阻礙了一個明確的測試。
物理學家們能夠在加州大學洛杉磯分校基礎等離子體科學設施的大型等離子體裝置（LPD）進行的一系列實驗中找到確認的證據，該設施是由美國能源部和國家科學基金會共同支持的國家合作研究設施。
愛荷華大學物理和天文學系教授、該研究的共同作者Craig Kletzing說：“這些波可以給產生極光的電子提供能量的想法可以追溯到40多年前，但這是我們第一次能夠明確地確認它的作用。這些實驗讓我們進行了關鍵的測量，表明空間測量和理論確實解釋了極光產生的一個主要方式。”
電子在波的電場上“衝浪”的現象是一個被稱為“朗道阻尼”（Landau damping）的理論過程，由俄羅斯物理學家Lev Landau在1946年首次提出。通過數值模擬和數學建模，研究人員證明他們的實驗結果與“朗道阻尼”的預測特徵一致。
加州大學洛杉磯分校物理學教授兼加州大學洛杉磯分校等離子體科學和技術研究所所長 Troy Carter說，實驗、模擬和建模的一致提供了第一個直接證據，證明阿爾芬波可以產生加速電子，導致極光。
Carter表示：“這個具有挑戰性的實驗需要測量在LPD室中以幾乎與阿爾芬波相同的速度移動的非常小的電子群，其數量不到等離子體中電子的千分之一。”