在数千公里的高空，两条强大的辐射带环绕着我们的世界。在这里，被困在地球广阔磁场中的粒子以接近光速的速度呼啸而过，速度之快足以对任何希望穿越它们的航天器或宇航员构成严重危险。一些最致命的粒子，被称为“杀手电子”，由于地球磁场中称为合唱波的奇特扰动加速而达到如此高的速度，合唱波因其声音类似于鸟鸣而得名。长期以来，人们一直认为这些合唱波只发生在地球和其他行星附近。原则上，避开它们可以实现更安全、辐射更少的太空航行——但新的结果表明，这种波在深空中比任何人意识到的都更常见。
中国北京航空航天大学的刘承明及其同事在《自然》杂志上撰文，报告说他们使用美国国家航空航天局的磁层多尺度（MMS）任务发现了合唱波，该任务是美国宇航局于2015年发射的四个卫星编队飞行，旨在研究地球磁场。然而，这些波根本不在地球附近。相反，它们出现在距离我们星球165,000公里（100,000英里）的地方，大约是之前探测到的任何合唱波距离地球的三倍。这使它们位于我们星球气泡状磁层的尾迹中，远离许多研究人员认为它们必须形成的地方。
西南研究院的詹姆斯·伯奇说：“这是一篇非常重要的论文，他是MMS任务的首席研究员，也是该研究的合著者。“这可能发生在宇宙中任何有磁场的地方，而几乎到处都有磁场。”
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在此处收听合唱波的音频重建
合唱波，或者更具体地说，哨声模式合唱波，既令人着迷又令人困惑。它们是持续几十分之一秒的小能量爆发，当转换为音频时会产生不寻常的频率“啁啾”。研究这种现象的英国南极调查局空间天气专家理查德·霍恩说：“它们听起来非常像黎明的鸟鸣声。“这就是它们得名的原因。”我们感知为合唱波的微小波动是由等离子体不稳定性产生的，等离子体不稳定性是指沿着地球磁力线流动的带电粒子的不稳定分布。由于它们可以与被困在我们星球地磁控制下的高能粒子相互作用，“我们在1990年代末和2000年代初意识到，它们在形成地球辐射带中起着重要作用，”霍恩说，他是新《自然》论文的同行评审员，并撰写了随附的评论。
合唱波的发现是偶然发生的——不是在太空中，而是在地球上——当时第一次世界大战的无线电操作员无意中听到了它们从雷暴中发出。“人们在监听敌方传输，但他们听到的却是这种‘鸟’的合唱，”爱荷华大学的空间天气物理学家艾莉森·杰恩斯说，她没有参与这项研究。“后来发现他们听到的是闪电产生的合唱波。”
从那时起，在太阳系中每个拥有任何形式磁场的其他行星上都发现了这些波：水星、火星、木星、土星、天王星和海王星。甚至在金星上也发现了它们，金星没有磁场；在那里，它们是由太阳风冲击行星大气层产生的瞬态磁场形成的。
总的来说，所有这些先前的探测表明，产生合唱波有一个相当简单的先决条件：偶极磁场——具有“北”和“南”方向性，就像条形磁铁的两端——它围绕行星弯曲其磁力线，例如地球。这种弯曲的偶极配置允许合唱波从极点传播到极点，产生“啁啾声”。然而，由于它们与地球的距离很远，最新结果中的合唱波“在某种程度上消除了曲率因素，”英格兰诺森比亚大学的等离子体物理学家丹尼尔·拉特利夫说，他没有参与这项研究。“然而，你仍然可以得到这些非常清晰的、上升的音调特征。”
这指向了合唱波产生的另一种机制——即磁场频率的变化。这些频率变化可以引起高能电子，也可以由高能电子引起，这些高能电子在曲率最小的磁场中移动，从而产生合唱波。“这篇论文表明，合唱发射的起源是频率变化，”日本京都大学的大村喜晴说，他没有参与这项研究。即便如此，大村和拉特利夫指出，这两种过程可能仍然发挥作用。
这种替代途径很重要，因为它意味着合唱波不局限于行星和恒星的弯曲磁层，而是可以自由地在太空中任何有磁场的地方形成。“太空充满了高能粒子[如宇宙射线]，但这可能有助于那些已经存在的高能粒子，”伯奇说。“如果你想从地球去火星，你需要大量的[辐射]屏蔽。这是一种我们不知道的、可能到处都发生的新型高能电子来源。因此，应该对其进行寻找。”
刘和他的团队还发现了被称为“电子空穴”的相关效应的证据，本质上是合唱波中由电子在其沿地球磁力线传播时聚集在一起而造成的间隙。“共振产生波，你会得到这种空穴，”霍恩说。“这是一个至关重要的观察结果，”这要归功于MMS任务提供的独特数据。
磁重联——地球和太阳的磁力线相互咬合，释放出辐射爆发的过程——也被认为与合唱波有关，它提供了一些高能粒子，这些粒子可以被波有效地超充电。大村说，刘的研究结果表明，这个过程发生在“离地球相当远的地方”。这种联系可能意味着，密切监测传入的太阳风可能有助于科学家更好地预测地球和其他行星周围合唱波的产生，从而可能改进空间天气预报。
这意味着理解合唱波对于确保未来前往月球、火星和其他深空目的地的任务不会走上注定失败的绝路至关重要。“如果你将电子泵送到非常高的能量，你就会想知道，对于载人航天和航天器资产，磁层中有多少杀手电子，”杰恩斯说。“合唱波对于理解这一点非常重要。”更多地了解它们可以告诉我们更多关于在这些太空区域飞行何时安全的信息。“我们想预测它们何时何地会发生，”拉特利夫说，“这样我们就可以知道何时何地对于操作来说可能太危险了。”