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突破70多年來的傳統認知!他們發現距地球16萬公里的“太空合聲”

2025-02-01 21:49:16

地球磁力線像琴絃一樣被宇宙空間帶電粒子撥動,會發出什麼樣的聲音?

來自北京航空航天大學的科研團隊日前釋出了一項最新的研究成果,他們在世界上首次發現了距離地球16萬公里處遙遠太空的“太空合聲”,並發現了全新的合聲波產生機制,突破了全球科學界在太空合聲波研究領域延續70多年的傳統認知。

北航團隊首次發現遙遠空間的“太空合聲”

專家介紹,“太空合聲”學名為合聲波,是一種電磁波。傳統觀點認為它的產生與地球磁場有關,如果將地球磁場的磁力線想象為兩端固定在地球南北磁極區的琴絃,當太陽風的能量到達地球時,與地球磁場相互作用,就激發出頻率特徵類似於清晨鳥兒的齊鳴合奏聲的電磁波。

中國科學院院士 北京航空航天大學空間與地球科學學院院長 曹晉濱:太空合聲就是空間中的一種低頻的電磁波,它的頻率可以從一百赫茲到幾千赫茲。因為它的頻譜特徵,跟我們平常在地面上聽的鳥鳴合聲的頻譜特徵很相像,所以我們把它叫太空合聲。

自20世紀50年代以來,全球與空間探索有關的科學家對合聲波進行了大量觀測研究,認為合聲波主要發生在近地空間的地球偶極磁場區域。

北航科研團隊利用一個科學探測器數年收集的海量資料,首次發現了距離地球16萬公里處的合聲波,同時還發現了全新的合聲波產生機制,突破了全球科學界延續70多年的傳統認知。

北京航空航天大學空間與地球科學學院副教授 劉成明:七十年來大家認為這個波只能存在於近地空間,在地球偶極磁場區裡面,只能存在同步軌道附近這個區域,就沒有人去想過這個波能不能在更遠的地方,因為這個認識已經很久了,根深蒂固了。

“殺手電子”製造者的神秘面紗尚待揭開

北航科研團隊的這一發現在全球學術界引起了高度關注,然而合聲波,這種被科學家們賦予美好想象的太空自然現象,至今科學家們仍沒有完全摸清它產生和傳播的機制。

專家介紹,合聲波作為地球和行星空間等離子體中幅值最強的電磁波動之一,具有能夠將電子加速到接近光速的能量,一旦被加速,這些高能電子就變成了“殺手電子”,嚴重危害航天器穩定執行和航天員健康安全。

北京航空航天大學空間與地球科學學院副教授 劉成明:它不僅造成很大影響,甚至有時候可能會是致命性的。只需要很短的空間尺度,非常小的一段合聲波,就會在幾秒內,甚至零點幾秒內,把電子加速,加速到很多很多數量級。

然而,這個來自太空的“殺手電子”製造者,卻始終蒙著神秘的面紗,時至今日,科學界也沒能全面掌握合聲波的產生和傳播機制。

這次北航研究團隊透過觀測,證實了合聲波不僅在近地空間存在,在遠離地球的非偶極磁場區域同樣也能存在的理論依據,離掀開合聲波的神秘面紗又近了一步。

中國科學院院士 北京航空航天大學空間與地球科學學院院長 曹晉濱:我們利用衛星的觀測資料,包括粒子的、電磁場的觀測資料,提出了一個非線性波粒相互作用的物理過程,圓滿地解釋了在16萬公里、距離地球比較遙遠的非偶極磁場控制的區域,這個合聲波的產生機制。

深入研究“合聲”為太空探索保駕護航

由於合聲波產生的高能粒子,能夠給人造航天器帶來嚴重毀傷效果,對人造衛星、航天發射以及載人航天來說是巨大的威脅,因此,深入研究和了解合聲波,對於保護人類航天活動具有十分重要的實際意義。

在人類邁向太空的程序中,高能粒子無時無刻不在影響和威脅著人造航天器,2003年10月,在由太陽活動引起的空間天氣災害事件中,地球空間高能粒子輻射通量急劇增長,造成了國際上多顆重要的科學研究衛星受到不同程度損壞甚至報廢,我國1990年發射的風雲一號B衛星也是受到高能粒子影響提前報廢。

隨著高能粒子對航天器所造成的威脅日益凸顯, 在全球所有航天大國的空間天氣預測系統中,合聲波都是重要內容。

中國科學院院士 北京航空航天大學空間與地球科學學院院長 曹晉濱:我們透過研究合聲波是怎麼產生的,怎麼加速高能電子的,我們就可以對高能電子輻射帶的演化進行提前預報,就可以減免對衛星的損害。

除了危害之外,合聲波還給地球帶來諸多影響,其中,地球兩極壯觀美麗的脈動極光,就與合聲波有著直接的關係。

中國科學院院士 北京航空航天大學空間與地球科學學院院長 曹晉濱:因為合聲波透過跟電子共振可以加速,但滿足一定的條件以後,它也可以散射電子。散射電子沿地球磁力線往兩極走,撞擊到極區高層大氣的分子就會產生極光。

目前,北航科研團隊的相關論文已經在國際知名學術期刊《自然》發表,國際同行專家評價,這項研究增強了我們對合聲波的理解,這將極大地提高我們對空間天氣的預報能力。

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