在數千公里的高空，兩條強大的輻射帶環繞著我們的世界。在這裡，被困在地球廣闊磁場中的粒子以接近光速的速度呼嘯而過，速度之快足以對任何希望穿越它們的航天器或宇航員構成嚴重危險。一些最致命的粒子，被稱為“殺手電子”，由於地球磁場中稱為合唱波的奇特擾動加速而達到如此高的速度，合唱波因其聲音類似於鳥鳴而得名。長期以來，人們一直認為這些合唱波只發生在地球和其他行星附近。原則上，避開它們可以實現更安全、輻射更少的太空航行——但新的結果表明，這種波在深空中比任何人意識到的都更常見。
中國北京航空航天大學的劉承明及其同事在《自然》雜誌上撰文，報告說他們使用美國國家航空航天局的磁層多尺度（MMS）任務發現了合唱波，該任務是美國宇航局於2015年發射的四個衛星編隊飛行，旨在研究地球磁場。然而，這些波根本不在地球附近。相反，它們出現在距離我們星球165,000公里（100,000英里）的地方，大約是之前探測到的任何合唱波距離地球的三倍。這使它們位於我們星球氣泡狀磁層的尾跡中，遠離許多研究人員認為它們必須形成的地方。
西南研究院的詹姆斯·伯奇說：“這是一篇非常重要的論文，他是MMS任務的首席研究員，也是該研究的合著者。“這可能發生在宇宙中任何有磁場的地方，而幾乎到處都有磁場。”
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在此處收聽合唱波的音訊重建
合唱波，或者更具體地說，哨聲模式合唱波，既令人著迷又令人困惑。它們是持續幾十分之一秒的小能量爆發，當轉換為音訊時會產生不尋常的頻率“啁啾”。研究這種現象的英國南極調查局空間天氣專家理查德·霍恩說：“它們聽起來非常像黎明的鳥鳴聲。“這就是它們得名的原因。”我們感知為合唱波的微小波動是由等離子體不穩定性產生的，等離子體不穩定性是指沿著地球磁力線流動的帶電粒子的不穩定分佈。由於它們可以與被困在我們星球地磁控制下的高能粒子相互作用，“我們在1990年代末和2000年代初意識到，它們在形成地球輻射帶中起著重要作用，”霍恩說，他是新《自然》論文的同行評審員，並撰寫了隨附的評論。
合唱波的發現是偶然發生的——不是在太空中，而是在地球上——當時第一次世界大戰的無線電操作員無意中聽到了它們從雷暴中發出。“人們在監聽敵方傳輸，但他們聽到的卻是這種‘鳥’的合唱，”愛荷華大學的空間天氣物理學家艾莉森·傑恩斯說，她沒有參與這項研究。“後來發現他們聽到的是閃電產生的合唱波。”
從那時起，在太陽系中每個擁有任何形式磁場的其他行星上都發現了這些波：水星、火星、木星、土星、天王星和海王星。甚至在金星上也發現了它們，金星沒有磁場；在那裡，它們是由太陽風衝擊行星大氣層產生的瞬態磁場形成的。
總的來說，所有這些先前的探測表明，產生合唱波有一個相當簡單的先決條件：偶極磁場——具有“北”和“南”方向性，就像條形磁鐵的兩端——它圍繞行星彎曲其磁力線，例如地球。這種彎曲的偶極配置允許合唱波從極點傳播到極點，產生“啁啾聲”。然而，由於它們與地球的距離很遠，最新結果中的合唱波“在某種程度上消除了曲率因素，”英格蘭諾森比亞大學的等離子體物理學家丹尼爾·拉特利夫說，他沒有參與這項研究。“然而，你仍然可以得到這些非常清晰的、上升的音調特徵。”
這指向了合唱波產生的另一種機制——即磁場頻率的變化。這些頻率變化可以引起高能電子，也可以由高能電子引起，這些高能電子在曲率最小的磁場中移動，從而產生合唱波。“這篇論文表明，合唱發射的起源是頻率變化，”日本京都大學的大村喜晴說，他沒有參與這項研究。即便如此，大村和拉特利夫指出，這兩種過程可能仍然發揮作用。
這種替代途徑很重要，因為它意味著合唱波不侷限於行星和恆星的彎曲磁層，而是可以自由地在太空中任何有磁場的地方形成。“太空充滿了高能粒子[如宇宙射線]，但這可能有助於那些已經存在的高能粒子，”伯奇說。“如果你想從地球去火星，你需要大量的[輻射]遮蔽。這是一種我們不知道的、可能到處都發生的新型高能電子來源。因此，應該對其進行尋找。”
劉和他的團隊還發現了被稱為“電子空穴”的相關效應的證據，本質上是合唱波中由電子在其沿地球磁力線傳播時聚集在一起而造成的間隙。“共振產生波，你會得到這種空穴，”霍恩說。“這是一個至關重要的觀察結果，”這要歸功於MMS任務提供的獨特資料。
磁重聯——地球和太陽的磁力線相互咬合，釋放出輻射爆發的過程——也被認為與合唱波有關，它提供了一些高能粒子，這些粒子可以被波有效地超充電。大村說，劉的研究結果表明，這個過程發生在“離地球相當遠的地方”。這種聯絡可能意味著，密切監測傳入的太陽風可能有助於科學家更好地預測地球和其他行星周圍合唱波的產生，從而可能改進空間天氣預報。
這意味著理解合唱波對於確保未來前往月球、火星和其他深空目的地的任務不會走上註定失敗的絕路至關重要。“如果你將電子泵送到非常高的能量，你就會想知道，對於載人航天和航天器資產，磁層中有多少殺手電子，”傑恩斯說。“合唱波對於理解這一點非常重要。”更多地瞭解它們可以告訴我們更多關於在這些太空區域飛行何時安全的資訊。“我們想預測它們何時何地會發生，”拉特利夫說，“這樣我們就可以知道何時何地對於操作來說可能太危險了。”