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太空中总有些奇异的声音

利维坦<更多内容2017-09-04 14:19:01

利维坦按:我们都知道,声波只有通过介质才能传播。但你可能会问,在宇宙中存在大量的星体,它们也是物质,为何不能传播声音呢?原因在于,宇宙实在是太大了。所以,这里所说的实际上是星际空间里没有任何物质,因此声音不能在其中传播。但无线电波(电磁波)可以在宇宙空间的真空里传播。

文/Mara Johnson-Groh

译/杨睿

校对/石炜

原文/phys.org/news/2017-07-nasa-electrons.html

本文基于创作共用协议(BY-NC),由杨睿在利维坦发布

地球周围充斥着磁场线和被困在磁场中的高能粒子,这些粒子在地球周围高速“旋转跳跃”、发散开去(图源:NASA戈达德航天飞行中心/Brian Monroe)

太空并不“空”,也不像我们以为的那样“万籁俱静”。虽然严格来讲,太空是真空的,但太空中仍然包含着被磁场和电场控制的高能粒子。这些粒子和地球上的东西不同。在被磁场包围的区域内,如地球周围的太空环境中,粒子被各种电磁波的运动(等离子体波)抛来甩去、永不停歇。这些等离子体波就像咆哮奔腾的海浪一样,创造出一种富有节奏感的杂音。借助合适的工具,我们就可以听到太空的声音。

像海浪翻滚横过海洋一样,太空中的干扰也会掀起汹涌的电波。波动的电场和磁场穿过离子块和等离子体中的电子,让其中一些粒子加速产生电波。这种相互作用控制了高能粒子在近地环境中的增减,使其维持平衡。

有一种等离子体波在近地环境的形成中扮演着最基本的角色,那就是哨声模波(whistler-mode waves)。穿过的等离子体不同,电波产生的声音也不同。比如说,紧紧围绕着地球的区域被称为等离子层(plasmasphere),这里的冷等离子体相对比较密集。这一区域内的电波听起来就和区域外的电波完全不同。虽然不同的哨声模波产生的声音不同,但它们都以相同的方式移动,具有相同的电磁性质。

光线照射到地面时,放电也可以触发哨声模波。一部分电波逃脱大气层,像碰碰车一样沿着地球南北极之间的磁场线碰撞。闪电产生一系列不同频率的波,频率越高速度越快,因此电波产生的声音音调也会越来越低。“哨声模波”的名字就由此而来。

由不同机制触发的不同类型等离子体波遍布地球周围的不同区域(图源:NASA戈达德航天飞行中心/Mary Pat Hrybyk-Keith)

在等离子层之外,等离子体更加脆弱,温度也相对更高一点。这里的哨声模波更像是一种音调渐高的唧唧声,就像一群吵吵闹闹的鸟在叽叽喳喳的叫。这种电波被称为合声波(chorus)。电子被推向地球暗面时会产生合声波。在某些情况下,这可能是由磁重联引起的,磁重联是指地球暗面缠结混乱的磁场线爆炸。这些低能电子撞击等离子体时,会与等离子体中的粒子相互作用,传递能量,产生独特的升调。

在等离子层中传播的哨声模波被称为等离子层嘶声(plasmaspheric hiss),听起来就像是无线电台的静电干扰一样。有科学家认为,嘶声也是由闪电引起的;但另有科学家认为,这可能是由等离子层内泄漏的合声波引起的。合声波和嘶声都是近地环境中的音调“升记号”。范艾伦辐射带是由高能粒子组成、环绕地球的“甜甜圈”,也包括在近地环境中。

范艾伦探测器在环绕地球时利用EMFISIS仪器听到了被称为合声波的等离子体波(来源 NASA/爱荷华大学)

美国国航局的科学家在范艾伦探测器的帮助下,正致力于了解等离子体波的动力学原理,希望能借此提高人类预测太空天气的准确性。天气预测不够准确可能会对卫星和电信信号造成破坏性的影响。作为科学家观察工作的一部分,他们已经记录了地球周围的粒子合声中由不同等离子体波形成的怪声。

美国国航局的两台范艾伦探测航天器利用一种被称为EMFISIS的仪器在环绕地球时测量电磁波。EMFISIS是Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science(电磁场仪表套件和整合科学)的缩写。航天器遇到电波时,传感器会记录电场和磁场频率的变化。科学家将频率转换到可听范围内,就能让我们听到太空的声音。

范艾伦探测器在环绕地球时利用EMFISIS仪器听到了哨声模波(来源 NASA/爱荷华大学)

通过了解电波和粒子相互作用的机制,科学家可以知道电子如何加速、如何从辐射带消失,这还可以帮助我们保护太空中的卫星和电讯设备。

本文来自凤凰号,仅代表凤凰号自媒体观点。

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