天空中最令人惊叹的美丽景象之一就是舞动的极光。然而，这种令人着迷的现象仍未被完全理解。
我们知道它是由吹入的颗粒产生的，沿着地球磁场线加速到高纬度地区，在那里它们像雨点一样落入高层大气。在那里，与大气中粒子的相互作用产生了在天空中闪烁的光幕。
现在，科学家们通过在实验室中复制该过程，首次证明并证实了粒子加速发生的机制。正如科学家们所认为的，被称为阿尔文波的强大电磁波沿着磁场线加速电子。
“这些波可以激发产生极光的电子的想法可以追溯到四十多年前，但这是我们第一次能够明确地证实它是有效的，”物理学家克雷格·克莱青说爱荷华大学的。
“这些实验让我们进行了关键测量，表明空间测量和理论确实解释了极光产生的主要方式。”
（奥斯汀·蒙特利厄斯，爱荷华大学文理学院）
我们很早就知道阿尔芬波了。 1942 年，瑞典电气工程师 Hannes Alfvén 首次描述了它们——电流体中沿磁场线传播的横波。这种波是能量和动量传输的重要机制。磁流体动力学系统；也就是说，它们可以加速粒子。
人们在地球磁场线中观察到了阿尔文波，航天器甚至在极光上方观察到了向地球传播的阿尔文波。它是广泛接受阿尔文波在极光电子加速中发挥着作用，但确定确切的作用有些棘手。
因此，惠顿学院物理学家吉姆·施罗德领导的科学家团队使用了大型等离子体装置（洛杉矶警察局）在加州大学洛杉矶分校仔细观察这一现象。这是一个长 20 米（66 英尺）、直径 1 米（3.3 英尺）的圆柱形真空室，具有强大的磁场。
洛杉矶警察局。 （基础等离子体科学设施/加州大学洛杉矶分校）
“这项具有挑战性的实验需要测量极少量的电子，这些电子以几乎与阿尔文波相同的速度沿着洛杉矶警察局的室移动，数量不到等离子体中电子的千分之一，”物理学家特洛伊卡特说加州大学洛杉矶分校。
该团队在洛杉矶警察局的等离子体中产生阿尔文波，并同时测量与极光形成相关的条件下的电子速度分布。他们发现阿尔芬波将能量传递给与波共振的电子，其速度类似于波的相速度。
“测量结果显示，这一小部分电子在阿尔芬波电场的作用下经历了‘共振加速’，类似于冲浪者捕捉到波浪，并随着冲浪者沿着波浪移动而不断加速，”物理学家格雷格·豪斯说爱荷华大学的。
这个过程被称为朗道阻尼，因为能量从波到粒子的传递会抑制波，从而防止出现不稳定性。根据研究小组的分析，电子速度产生的特征是朗道阻尼的已知特征，表明发生了共振加速。
然后，通过将他们的结果与极光模型进行比较，该团队能够证明电子的激发速率与真实物体中的朗道阻尼一致。
“实验与极光模型之间每个电子的激发速率的一致性，”研究人员写道，“建立了最终所需的联系，以表明我们已经提供了直接的实验证实，即阿尔文波可以加速沉淀到电离层的电子并产生极光的迷人光芒。”
该研究发表于自然通讯。
