奇特的“史蒂夫极光”其实是两种天文现象

  靠近南北极的高纬度地区,常常可以看到绚烂的极光。不过,一些平民科学家发现了一种怪异的天空辉光,与典型的极光大不相同,于是将其命名为“史蒂夫”。最新的一项研究发现,这种辉光是一种带电的混合体……
 
奇特的“史蒂夫极光”其实是两种天文现象
2016年,拍摄极光的平民科学家注意到反常的紫色弧光,科学家们无法彻底解释清楚。这种现象,名为“史蒂夫”,最新的研究发现它其实是由两种天空辉光构成的。上图拍摄于加拿大甘露市。
摄影:DAVE MARKEL PHOTOGRAPHY, NATIONAL GEOGRAPHIC YOUR SHOT
 
撰文:ROBIN GEORGE ANDREWS
 
  古往今来,南极北极的极光永远那么迷人,启迪了无数的创意作品、神话故事和传说,也激发了人们对这一现象背后的原理进行科学研究。不过,时至今日,这种天文奇观仍然时不时地给科学家们带来惊喜。2016年,加拿大阿尔伯塔省的平民科学家首次目睹了全新的天空辉光“史蒂夫”。
 
  这种极光呈长条状,有时候会有绿色的尖桩栅栏状结构,出现的纬度比典型的极光低得多。困惑的太空物理学家们无法确定这是一种形状怪异的极光,还是另外一种全新的存在。
 
  如今,研究表明,上述两种猜测都不对:史蒂夫极光是一种带电混合体(electrical hybrid)。
 
  “我们发现,尖桩栅栏状结构是极光,但紫色的圆弧并不是极光。”该研究的第一作者、美国波士顿大学的太空物理学研究者Toshi Nishimura解释道。
 
  这项知识界的发现之所以重要,是因为典型的极光和史蒂夫极光的紫色圆弧都出现在电离层。该研究论文的合著者、加拿大卡尔加里大学的太空物理学家Bea Gallardo-Lacourt解释说,电离层是地球大气层中带电的一层,会影响无线电波的传播路径,因此,电离层的扰动会影响我们的通讯网络。
 
  她说:“我们理解这其中的原理,事关根本。”
 
冒充极光?
 
  地球的南北磁极发出的磁感线像一张大网笼罩着地球,当太空中的高能粒子沿着磁感线滑落时,就会产生极光。这些高能粒子冲入大气层上层时,会使那里的电子充电,发出各种颜色的光。与此同时,当地球的磁感线与太阳的磁感线相交,它们会破裂、重组,并一路带走带电粒子。因此,带电粒子会飞入地球两侧的大气层中,形成白昼和夜晚两种极光。
 
  史蒂夫极光的形状与众不同,而且出现在低纬度地区,显然,它并非普普通通的极光。
 
  平民科学家们在加拿大看到这种奇怪的新极光时,给它取了一个可乐又普通的名字“史蒂夫”。实际上,这个名字来自于2006年的喜剧动画片《篱笆墙外》。片中,森林里的动物们不认识一种灌木,便给这种灌木取名“史蒂夫”。美国宇航局戈达德研究中心的太空物理学家、首个观测极光的平民科学组织的创始人Elizabeth MacDonald非常喜欢这个名字,还专门把他们团队的名字缩写改成了STEVE(史蒂夫)。
 
  MacDonald及其同事利用磁场分析探测器在一次史蒂夫事件中收集的数据,在2018年的一项研究中称,这是极光的一个新“品种”。它与传统极光的形成方式略有不同,但它仍然具备所有带电粒子乱象的特征。
 
  但是,很显然,早在人们观测到史蒂夫之前很久,它就已经存在了。随着平民科学家们梳理以往照片的兴趣与日俱增,人们也拍到了史蒂夫的更多细节。2018年,Gallardo-Lacourt在他领衔的另一项研究中发现,卫星观测到的2008年某次史蒂夫事件并没有绿色光。这些研究人员发现,那次事件中的带电粒子很少,远不足以将其称之为真正的极光。
 
光之嵌合体
 
  最新的这项研究,本月初发表于《地球物理研究通讯》,研究了三次史蒂夫事件,同时也得到了极光摄影师们的帮助。此外,包括美国宇航局用于调查极光的THEMIS卫星群在内的多颗探测器,分析了每次史蒂夫事件的电离特征。
 
  Nishimura的团队称,史蒂夫绝对是在电离层中产生的,但是,紫色弧似乎并不是极光,因为极光的定义是高能电子产生的发光现象。与之相反,史蒂夫事件中,自由运动的低能带电粒子粒子流与中性粒子碰撞后摩擦生热产生的光芒,就是我们看见的紫色圆弧。
 
  即我们所看到的紫色弧光。这有点儿像是灯泡里的灯丝升温并发出光芒,并不完全像是极光。
 
  Nishimura说:“我们更应该称之为‘天空辉光’。”
 
  “尽管是科学家们在研究史蒂夫,但这其实是摄影师们的发现。”——加拿大卡尔加里大学BEA GALLARDO-LACOURT
 
  不过,与紫色弧不同的是,史蒂夫事件中绿色的部分却酷似极光。包裹着地球的磁场泡遭到扰动,会产生冲向电离层的“波浪”,从而使电子向下流向大气层上层,电子与大气层中的粒子撞击,激发后者。该团队称,这就是史蒂夫事件中绿色尖桩栅栏状结构的来源。
 
  Nishimura说:“这种发光机制,与典型的绿色极光一模一样。”他们在研究结论中称,在后续的研究中,应该把史蒂夫的每个部分都作为单独的现象来区别对待。
 
朋友们帮的小忙
 
  美国加州大学的Larry Lyons是一位研究磁性层和电离层物理学的专家,并未参与此项研究。他认为该新研究是我们理解史蒂夫起源的“一次重大进步”。正是有了低纬度的观测和THEMIS卫星群,如今,我们更深入地理解了史蒂夫与地球大气层上层和地球磁场泡的关系。
 
  但是,一切尚未盖棺定论。这篇新论文只研究了三次事件,样本量较小。要想完全解释尖桩栅栏状结构和紫色弧光,还需要更多数据。目前来看,还有许多问题等待解决,比如,弧光为什么是紫色的?为什么紫色和绿色部分既能出现在一起,又是相互独立的?
 
  此外,Gallardo-Lacourt说,有了这项研究,“我们正一点一点地更进一步理解史蒂夫。”他还强调说,如果没有平民科学家的付出,所有这些研究能不可能进行下去。
 
  她说:“尽管是科学家们在研究史蒂夫,但这其实是摄影师们的发现。”人人都一起努力解开这个谜团,“对我而言,这才是科学研究最浪漫的地方。”
 
(译者:mikegao)
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