ELFIN CubeSat发现超高速电子雨来源

ELFIN是一对被称为CubeSats的小型立方体形状的卫星。它是由加州大学洛杉矶分校的本科生和研究生在工作人员导师的指导下建造和运行的。

结合ELFIN的数据及NASA的Substorms期间事件和宏观互动的时间历史或THEMIS航天器的更远距离观测，科学家们确定电子雨是由哨声波引起的，这是一种在太空中的等离子体中荡漾的电磁波。他们的结果发表在《Nature Communications》上，该研究发现了比以往领先的理论预测的电子降水更多。

“ELFIN是第一颗测量这些超高速电子的卫星，”新论文的论文第一作者、加州大学洛杉矶分校地球、行星和空间科学系(EPSS)的研究员Xiaojia Zhang说道，“由于其独特的有利位置，这项任务正在产生新的见解。”

近地空间环境是高度动态的并充满了带电粒子，它们在行星周围的巨大环中运行，称为范艾伦辐射带。类似于一个在两只手之间来回弹跳的卷曲的滑轮，辐射带中的电子在地球的南北磁极之间螺旋式地移动。在某些条件下，辐射带中会出现被称为哨子波的电磁振动，使电子的能量和速度大大增加，进而使其于流失到大气中并形成电子雨。

结合THEMIS对哨子波的观测、ELFIN的电子数据和复杂的计算机建模，研究小组看到了哨子波是如何导致电子的快速洪流流入大气层的，这远远超出了以前理论的预期数量。目前的空间天气模型没有考虑到这种额外的电子流，它不仅有助于产生耀眼的极光而且会损害低轨道卫星并影响大气化学。

EPSS的论文合著者、仪器负责人和空间物理学博士生Colin Wilkins说道：“利用我们自己建造的硬件提供的数据增加我们的空间科学知识确实是一种有益的感觉。这需要在幕后做出巨大的努力和决心才能实现。”

通过进一步的研究，研究人员发现，在地磁暴期间，这种类型的辐射带向大气层的损失可能会显著增加，地磁暴则是由太阳活动增强引起的干扰进而影响近地空间。由于现有的模型没有考虑到这一点，因此低估了电子降水的影响。

将电子损失对大气的影响考虑在内不仅对地面建模很重要而且对理解地球的磁环境和预测对卫星、宇航员和其他空间基础设施的危害也非常重要。尽管人们通常认为太空跟我们的高层大气是分开的，但这两者是密不可分的。了解它们之间的联系可以使经过该区域的卫星和宇航员受益，这对商业、地球监测、电信和旅游越来越重要。

“ELFIN任务让加州大学洛杉矶分校的学生有机会在校园内从事一个行业水平的项目，我很自豪我们能在不牺牲科学质量的情况下跟300多名本科生一起完成这么多工作，”这项研究的论文共同作者、项目经理、空间物理学博士生Ethan Tsai说道，“来自ELFIN卫星的数据处于空间天气研究的最前沿并将在未来十年被世界各地的研究人员大量使用，因此我们非常努力地使我们的数据开放并易于被整个空间科学界使用。”