I 1895 ble radioaktivitet og røntgenstråler oppdaget, noe som ga Birkeland inspirasjon til å finne ut implikasjoner av Maxwells ligninger på utladninger i små vakuumkammere. I forbindelse med dette fikk han frem lysfenomener som lignet på nordlys. Han arbeidet med dette vinteren 1895–1896, da han var tilbake i Kristiania, og kom frem til en ny teori om nordlys. Dette resulterte i fire artikler i 1896, der Birkeland for første gang foreslo at nordlys hadde sitt opphav fra katodestråler, altså ladede partikler, ut fra solflekker. Disse skyldtes prosesser inne i solen. Noen av disse ladede partiklene mente han vil komme inn i jordens magnetfelt og bli ledet mot polarområdene. Dermed skjer det utladninger når partiklene kommer inn i jordens atmosfære, noe som gir synlige lysfenomener. Imidlertid brukte han ikke ordet katodestråler før i 1908, men ut fra hvordan deres baner avbøyes i magnetiske felt, forstod han at de måtte være negativt elektrisk ladet. Med denne utgivelsen i 1896, var det første gang noen kom opp med en slik teori om nordlyset. Han kalte disse partiklene for «en fjerde tilstand for materien». Senere, i 1920-årene, ga Irving Langmuir (1881–1957) denne fjerde tilstanden navnet «plasma».