Окажитесь достаточно высоко в северных или южных широтах, ночью с ясным небом, и вас, возможно, просто угостят одним из тех завораживающих шоу естественного света, которые называются полярными сияниями. Ученые давно знали, что солнечные бури ответственны за эти танцующие завесы света, но до сих пор они не подтвердили основной механизм: электроны, ищущие острых ощущений.
Это не то откровение, которое досталось дешево. Опубликованное в журнале Nature, это последнее свидетельство является результатом более чем двадцатилетней работы.
Полярные сияния появляются, когда солнечные бури, вспышки излучения и заряженные частицы от солнца воздействуют на магнитное поле Земли в верхних слоях атмосферы. Но что происходит потом?
У ученых была теория: волны Альфвена. Представьте себе магнитное поле в виде паутины линий. Если вы растянете и потянете за эти линии, волна Альфвена-это то, что возникает, когда линии пытаются вернуться на место. Это магнитный эквивалент волны, скользящей по струне.
Когда солнечные бури проносятся над Землей, они искажают линии магнитного поля Земли. Ученые считают, что возникающие в результате волны Альфвена ускоряют электроны. Подобно лыжнику, несущемуся с горы на сломанных лыжах, эти электроны затем врезаются в атомы кислорода и азота нашей атмосферы. Возбужденные атомы высвобождают свою вновь обретенную энергию в виде ослепительного света, который мы знаем как полярные сияния.
Такие ученые, как Крейг Клецинг, физик из Университета Айовы, предсказали эту последовательность, похожую на резинку, в 1990-х годах. Чего они не сделали, так это не проверили это. Это трудно сделать, наблюдая за атмосферой с помощью космических аппаратов. Поэтому они решили сделать плазменный всплеск для себя.
Вы не можете по-настоящему воспроизвести космическое пространство в лаборатории. “Но мы можем сосредоточиться на конкретных условиях или конкретных механизмах”, - говорит Дэвид Шаффнер, физик-экспериментатор по плазме из колледжа Брин Мор за пределами Филадельфии, который не участвовал в этой работе.
Здесь это означало создание собственных корявых волн Альфвена. “Способ создания волн Альфвена заключается в создании возмущений в намагниченной плазме”, комбинации магнитного поля с супом горячих заряженных частиц, таких как ионы и электроны, - говорит Джеймс Шредер, физик из Уитонского колледжа в пригороде Чикаго и ведущий автор статьи.
К счастью, исследователи смогли обратиться к чему-то на местах: большому плазменному устройству в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, в Центре фундаментальной науки о плазме.
Довольно прямолинейно названное устройство представляет собой трубку шириной со ствол дерева и длиной с дорожку для боулинга с десятью иглами, окутанную катушками магнитного поля. Заполнив его газом и пропустив через него электронный луч, ученые могут быстро создать намагниченную плазму. На самом деле ученые могут сделать так, чтобы это происходило раз в секунду.
“У нас большой опыт в запуске волн Альфвена в этом устройстве", - говорит Трой Картер, директор плазменной установки. “Для этого он и был построен”.
Но хотя устройство использовалось для всевозможных исследований—от сверхновых до ядерного синтеза,—полярные сияния на самом деле не входили в этот список, когда Клецинг и его коллеги впервые отправились в Лос-Анджелес с идеей волны Альфвена в 1999 году.
“Сначала, - говорит Грегори Хаус, физик-теоретик плазмы из Университета Айовы, - он думал, что это займет около трех лет...”
В итоге это заняло более двух десятилетий и потребовало участия полудюжины аспирантов.
Технические проблемы были огромными. Во-первых, подойдет не просто какая-нибудь волна Альфвена. Исследователям пришлось создать антенну, которая могла бы запускать волны Альфвена с достаточной амплитудой для ускорения электронов.
Затем исследователям нужно было найти способ наблюдать за конкретными электронами. “Только примерно один из тысячи электронов в плазме фактически взаимодействует с этой волной", - говорит Хаус. “Электроны, которые ускоряются в этой плазме, движутся намного быстрее, чем ваш обычный электрон. Поэтому измерить их чрезвычайно сложно”.
Они сделали это, запустив больше волн в магнитное поле. Но эти волны, называемые “волнами Свистуна”, сверхчувствительны к электронам. Ученые могут использовать их для отслеживания даже быстро движущихся электронов. Этот метод обычно используется исследователями термоядерного синтеза, но после многих лет работы с ним эти эксперты aurora смогли использовать его для своих волн Альфвена.
Чтобы проанализировать свои данные, Хаус и аспирант обратились к методике, используемой в расчетах космических аппаратов, сочетая электрические и магнитные измерения с измерениями электронов, чтобы получить четкую “подпись”. Исходя из этого, они могли определить, действительно ли электроны движутся по волнам Альфвена.
“Это первый раз, когда мы использовали его в лабораторных измерениях”, - говорит Хаус. “Это было действительно своего рода заключительным кусочком головоломки, чтобы сказать: "Эй, мы действительно сделали измерение, к которому стремимся"".
Как только все это будет сделано, ученые смогут, наконец, проверить свою теорию полярного сияния—и запускать волны Альфвена на электроны снова, снова и снова.
“Мы провели эксперимент 65 000 раз", - говорит Шредер. “Это звучит действительно впечатляюще, но то, как [устройство] настроено, оно предназначено для такого высокого повторения. Так что эксперимент проводится раз в секунду”. В общей сложности это 65 000 секунд, или около 18 часов.
Посмотрев на свои результаты, ученые увидели, что на самом деле ускоряются уже быстро движущиеся электроны, немного похожие на серфинг. “Вы должны грести довольно близко к скорости волны, - говорит Хоус, - и тогда волна может начать поднимать вас, и вы начнете скользить вниз по передней части волны, набирая энергию по мере того, как вы двигаетесь вместе с ней”.
И что важно, их электроны вели себя именно так, как предсказывали Клецинг и его коллеги. Ускоренные волнами Альфвена, эти электроны поднялись до энергий, достаточно высоких, чтобы, если бы они плыли в полярных небесах, они могли вызвать полярные сияния.
“Это действительно ... та работа, к которой многие из нас стремятся, с точки зрения объединения всех этих различных элементов”, - говорит Шаффнер.
Это большое достижение, но полярные сияния далеки от устоявшейся науки. Есть множество вопросов, на которые нет ответов. В исследовании команды из Айовы рассматривались только дискретные полярные сияния, интенсивные, которые вы обычно видите на фотографиях. “Это исследование не дает ответа на другие типы полярных сияний, - говорит Шредер, - как они формируются”.
Чтобы узнать больше подробностей о том, что выходит из солнца, ученые-плазмофизики с нетерпением следят за солнечным зондом Паркера, который появится вокруг солнца в 2024 году.
“Виды условий, которые видны ближе к Солнцу, - говорит Шаффнер, - это большая благодатная почва для попыток определить лабораторные эксперименты, которые могли бы помочь в дальнейшем исследовать происходящее”.
