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加州大学洛杉矶分校华人青年科学家发现太空合声高低双频带的起源

     2020-02-13 12:16      来源:全美中华青年联合会

据英文《洛杉矶邮报》报道,加加州大学洛杉矶分校(UCLA)Bortnik 团队的李金星博士近期成功揭示在地球空间里合声波双频带的起源。他们通过研究NASA范阿伦卫星数据,结合电脑模拟,揭示了这个空间物理界研究了50年的问题。这个成果近期发现在《自然·通讯》期刊上。

地球周围的太空并不是真空的,而是充满电离化的粒子——等离子体。太空也不是“寂静”的。电磁场的扰动和不稳定的粒子在太空产生多种多样的电磁波,其声频信号在人耳听觉范围内,早期的科学家就是通过耳朵来聆听它们的声频信号,据此做研究。

地球外辐射在一万至五万公里高处,充满接近光速的高能粒子。这个区域产生一种非常动听的“太空音乐”,叫合声波,因其声音像早晨一群鸟的合唱而得名。合声波可以沿磁场传到地面,因此人们早在有卫星以前就知道它们的存在。在太空时代,卫星可以在太空直接探测合声波。50年前,早期的卫星就发现,太空合声通常有两条频带,高频带与低频带,两带之间有明显的间断。后来,旅行者卫星发现木星与土星上的合声波同样有双带结构。从此,很多科学家探索合声波双带结构的起源。

2012年,美国国家航空航天局(NASA)发射了两颗范阿伦卫星。这两颗卫星是“与星同在”计划的一部分,其名字是为了纪念地球辐射带的发现者:James Van Allen。这个卫星计划是为了探索辐射带的动态变化。在卫星发射不久之后,探测数据就显示,近光速的相对论电子是由在辐射带中心区域由合声波加速而产生的。范阿伦卫星数据也证实,合声波是地球弥散极光的产生机制。此后,关于合声波为何有双频带结构,日渐成为一个重要问题。

加州大学洛杉矶分校的李金星博士、其导师Jacob Bortnik,以及他们的诸多合作人共同探索双带合声。他们分析范阿伦卫星数据,发现双带合声往往伴随被分开为两个能带的不稳定电子群。他们用电脑模拟演示了双带合声产生的过程:辐射带中新注入的不稳定电子群起先只激发单频带的合声波。但是这些合声迅速回馈电子群,使中间能段电子(通常在1/10光速量级)迅速稳定。这使得不稳定电子被分开成低能段和高能段,分别激发高频与低频带合声波。

文章的合作者Vassilis Angelopoulos 教授称,这项研究是解决合声波双带间隙之谜的重大进展 (a major achievement in solving the long standing puzzle on chorus gap)。辐射带物理的先驱 Larry Lyons 教授说:“合声波为什么有双带结构,我40年来一直在思考。听完李博士的报告后,我瞬间非常明了。这是非常棒的研究。(I have been thinking for 40 years about the origin of chorus waves’ banded structure. After listening to Dr. Li’s presentation, it become so obvious to me. This is a fantastic research.)”

合声波是地球太空中非常重要的电磁波动。合声波通过回旋共振把电子加速到相对论能量,形成地球辐射带。辐射带的电子辐射可损坏卫星的电路、元器件及太阳能帆板,因此穿行于辐射带的卫星需要穿防护层。五十多年前的阿波罗登月过程中,科学家专门设计了一条避开辐射带的飞船的轨道。此外,合声也是极区脉动极光以及弥散极光的来源。李博士的这项研究有助于理解合声波的产生,从而更精确地预报地球辐射带的变化,也对研究极光的活动都有重要意义。

合声波在无线电物理中属于甚低频(VLF)波。由于甚低频波可以长程稳定传播,20世纪里也被用作船只和飞机的导航、军事通讯、以及跨洋通迅。正是在早期无线电通讯中,人们接收到来自太空的甚低频信号,并将听起来像鸟鸣的信号命名为合声波。此外,无线电通讯中还时常接收到的像哨声一样的来自太空的信号。这些信号是在闪电中产生,可以沿地球磁场传播数千公里至另外半球,所以这些信号也被应用于闪电的研究。甚低频电磁波还可以传播到盐水以下40米深,从而用于潜艇通讯。

Jacob Bortnik教授在UCLA领导的团队主要研究方向是地球辐射带动理学以及太空诸多波动的起源。此前,他通过联合两颗协作的卫星的观测,揭示太空的嘶声起源于合声波。Jacob Bortnik也是应用人工智能模拟太空环境的开创人之一。他应用机器学习技术,以及多颗卫星的观测,建立了地球近空电子密度模型。最近,他所带的团队应用更多不同轨道的卫星数据,建立了电子密度三维动态模型,这比从前的模型更真实更精准。

李金星博士从北京大学获得博士学位,之后在UCLA任博士后。他此前在空间物理领域取得多项创新性成果,包括辐射带电子蝴蝶状分布的起源机制。最近,他作为负责人(Principal Investigator)获得NASA “与星同在”计划的一个项目——应用机器学习和多卫星观测建立地球环电流模型及其对太阳风的响应。(AACYF洛杉矶讯)



编辑:中外要闻通讯社CNW
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