De aurora borealis, of noorderlicht, die de lucht vullen in gebieden op hoge breedtegraden hebben mensen al duizenden jaren gefascineerd. Maar hoe ze zijn gemaakt, terwijl getheoretiseerd, niet onomstotelijk bewezen was.

In een nieuwe studie, een team van natuurkundigen onder leiding van de Universiteit van Iowa rapporteert definitief bewijs dat de meest briljante aurora's worden geproduceerd door krachtige elektromagnetische golven tijdens geomagnetische stormen. de verschijnselen, bekend als Alfven-golven, versnellen elektronen naar de aarde, waardoor de deeltjes de bekende atmosferische lichtshow produceren.

De studie, online gepubliceerd op 7 juni in het tijdschrift Natuurcommunicatie , sluit een decennialange zoektocht af om experimenteel de fysieke mechanismen voor de versnelling van elektronen door Alfven-golven te demonstreren onder omstandigheden die overeenkomen met de aurorale magnetosfeer van de aarde.

"Metingen onthulden dat deze kleine populatie elektronen 'resonante versnelling' ondergaat door het elektrische veld van de Alfven-golf, vergelijkbaar met een surfer die een golf vangt en voortdurend wordt versneld terwijl de surfer met de golf meebeweegt, " zegt Greg Howes, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde in Iowa en co-auteur van de studie.

Wetenschappers weten dat energieke deeltjes die afkomstig zijn van de zon - zoals elektronen die met een snelheid van ongeveer 45 miljoen mijl per uur racen - langs de magnetische veldlijnen van de aarde neerslaan in de bovenste atmosfeer, waar ze botsen met zuurstof- en stikstofmoleculen, schoppen ze in een opgewonden toestand. Deze geëxciteerde moleculen ontspannen door licht uit te zenden, het produceren van de kleurrijke tinten van de aurora.

De theorie werd ondersteund door ruimtevaartuigmissies die vaak Alfven-golven vonden die aardwaarts reizen boven aurora's, vermoedelijk versnellende elektronen langs de weg. Hoewel op de ruimte gebaseerde metingen de theorie hadden ondersteund, beperkingen inherent aan ruimtevaartuigen en raketmetingen hadden een definitieve test verhinderd.

De natuurkundigen konden bevestigend bewijs vinden in een reeks experimenten uitgevoerd bij het Large Plasma Device (LPD) in UCLA's Basic Plasma Science Facility, een nationale faciliteit voor gezamenlijk onderzoek die gezamenlijk wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie en de National Science Foundation.

"Het idee dat deze golven de elektronen kunnen activeren die de aurora creëren, gaat meer dan vier decennia terug, maar dit is de eerste keer dat we definitief kunnen bevestigen dat het werkt, " zegt Craig Kletzing, professor in de afdeling Natuur- en Sterrenkunde in Iowa en een co-auteur van een studie. "Deze experimenten laten ons de belangrijkste metingen doen die aantonen dat de ruimtemetingen en theorie dat doen, inderdaad, verklaren een belangrijke manier waarop de aurora worden gecreëerd."

Het fenomeen van elektronen die "surfen" op het elektrische veld van een golf is een theoretisch proces dat bekend staat als Landau-demping, voor het eerst voorgesteld door de Russische natuurkundige Lev Landau in 1946. Door middel van numerieke simulaties en wiskundige modellering, de onderzoekers toonden aan dat de resultaten van hun experiment overeenkwamen met de voorspelde signatuur voor Landau-demping.

De overeenkomst van experiment, simulatie, en modellering levert het eerste directe bewijs dat Alfven-golven versnelde elektronen kunnen produceren, de aurora veroorzaken, zegt Troy Carter, hoogleraar natuurkunde aan de UCLA en directeur van het UCLA Plasma Science and Technology Institute.

"Dit uitdagende experiment vereiste een meting van de zeer kleine populatie elektronen die met bijna dezelfde snelheid door de LPD-kamer bewogen als de Alfven-golven, met minder dan één op de duizend elektronen in het plasma, ' zegt Carter.