《Nature Communications》近期在线刊发了公司曹晋滨院士团队刘成明研究员、刘杨洋副教授等人与来自美国和瑞典的科研人员，在空间合声（space chorus）领域取得的最新进展：《Ultrafast electron acceleration by space chorus》。该工作基于卫星观测和理论分析，揭示了空间合声波加速高能电子过程是高度非线性的，可以在数秒内将高能电子能量提升一个数量级。这一发现，为解决困扰学界数十年的关键科学问题——合声波加速电子是线性还是非线性？效率有多高？——提供了全新视角。刘成明研究员为第一作者，曹晋滨院士、刘成明研究员和刘杨洋副教授为通讯作者，足球平台为第一/通讯单位。

合声波是地球和行星空间等离子体中幅值最强的电磁波动之一，在地球辐射带高能电子加速和极区脉冲极光的产生过程中起着关键作用。合声波能够将低能电子加速成高能电子（百万电子伏特），形成地球辐射带杀手电子，危害航天器稳定运行和航天员健康安全；合声波可以散射电子使其沿地磁场磁力线沉降至极区高层大气，进而与大气分子碰撞后形成地球上壮观美丽的脉动极光；合声波还能够诱发嘶声波，改变近地空间高能电子辐射带结构，调制磁层-电离层耦合，进而影响空间天气发展和演化。

图1. 合声波在地球磁层空间中与高能电子发生相互作用

由于上述重要性，合声波从上世纪50年代以来，一直是空间物理学研究的前沿热点。经过数十年的系统研究，人们对合声波已经有了较为全面的认识。一个重要共识是，合声波可以有效地加速磁层高能电子（Horne et al., Nature, 2006； Thorne et al., Nature, 2013）。然而，受限于理论复杂性和观测局限性，合声波加速电子过程到底是非线性和线性？加速时间尺度是多少？在学术界存有较大争议。

图2. MMS卫星在地球磁尾探测到合声波加速高能电子现象

曹晋滨院士领导的空间科学团队长期从事地球空间等离子体电磁波动和波粒相互作用研究，具有扎实的理论基础和丰富的卫星观测数据经验，取得了多项具有国际影响力重要成果，在合声波领域的代表性成果近期发表于《Nature》（Liu*, Cao*, et al., Nature, 2025）。在曹晋滨院士指导下，刘成明研究员等人瞄准合声波加速电子这一重要物理过程，选择在地球中磁尾这一区域开展深入研究。不同于内磁层，磁尾内部高能电子能量偏低和磁场强度较小。如果合声波加速电子现象在磁尾也可以发生（图1），那么磁尾的先进探测卫星就有可能解析合声波-电子相互作用的物理细节。

图3. 合声波-电子之间的能量交换

刘成明研究员等人对地球磁层多尺度卫星（Magnetospheric Multiscale Mission）的海量数据进行详细分析，首次在磁尾中性片区域发现了合声波加速高能电子现象（图2）。团队利用多尺度波动分析技术，对合声波-电子相互作用进行了深入解析，发现合声波加速电子的效率极高，比线性理论预测的加速效率高4个数量级，表明合声波加速电子过程是高度非线性的（图3）。团队进一步解析电子三维速度分布函数发现，非线性加速源于波动驱动的电子相位束缚和相位锁定（图4），局地电子动力学特征与非线性理论的预测一致。这一结果，为理解合声波加速电子现象提供了全新视角。

图4. 合声波加速电子过程中的电子三维速度分布

论文的北航合作者包括足球平台博士生赵泊宁同学（第二作者）。国外合作者包括迪纳利科学研究院Craig Pollock研究员，美国加州大学洛杉矶分校的Christopher Russell教授，西南研究院的James Burch研究员，和瑞典皇家理工公司Per-Arne Lindqvist研究员。

该项工作得到了中组部人才项目和基金委人才项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-76485-5