Kamera hiperspektralna ujawnia ukryte szczegóły zorzy polarnej

W 2023 roku naukowcy z Narodowego Instytutu Nauk o Fuzji opracowali przełomową kamerę hiperspektralną, która otworzyła nowe możliwości w badaniach zorzy polarnej.

Dzięki zastosowaniu zaawansowanej technologii firmy osocze badań, aparat ten rejestruje niezwykle szczegółowe obrazy zorzy polarnej, pokazując różne kolory i mierząc energię elektronów, które tworzą te oszałamiające naturalne pokazy. Pomaga nam to nie tylko lepiej zrozumieć zorzę polarną, ale ma także zastosowanie w badaniu procesów energetycznych podobnych do tych zachodzących w reaktorach termojądrowych.

Zorze to naturalne zjawiska świetlne spowodowane interakcją elektronów spadających z nieba i górnych warstw atmosfery. Większość obserwowanego światła składa się z linii emisyjnych obojętnych lub zjonizowanych atomów azotu i tlenu oraz molekularnych pasm emisji, a kolor zależy od poziomów energii przejścia, wibracji molekularnych i rotacji. Istnieje wiele charakterystycznych kolorów zorzy, takich jak zielony i czerwony, ale istnieje wiele teorii na temat procesu emisji, w wyniku którego pojawiają się one w różnych typach zorzy, a aby zrozumieć kolory zorzy, należy rozbić światło. Aby szczegółowo zbadać procesy i kolory emisji zorzy polarnej, potrzebne są wszechstronne (czasowe i przestrzenne) obserwacje spektralne.

Postępy w obserwacjach spektralnych

Dodatkowo Narodowy Instytut Nauk o Fuzji (NIFS) obserwuje emisję światła z plazmy w polu magnetycznym w Wielkim Urządzeniu Helicznym (LHD). Opracowano różne systemy pomiaru widma światła emitowanego z plazmy, zbadano procesy transportu energii oraz emisję atomową i molekularną. Stosując tę ​​technologię i wiedzę do obserwacji zorzy polarnej, możemy przyczynić się do zrozumienia luminescencji zorzy polarnej i badania procesu wytwarzania energii przez elektrony, który powoduje luminescencję zorzy polarnej.

Opracowanie systemu kamer hiperspektralnych

Obserwacja zorzy polarnej wykorzystuje filtry optyczne w celu uzyskania obrazów o określonych kolorach, czego wadą jest ograniczona długość fali akwizycji i niska rozdzielczość. Z drugiej strony kamera hiperspektralna ma tę zaletę, że pozwala uzyskać przestrzenny rozkład widma przy dużej rozdzielczości długości fali. Plan opracowania kamery hiperspektralnej o wysokiej czułości rozpoczęliśmy w 2018 roku, łącząc spektrometr soczewkowy z kamerą EMCCD, która była stosowana w LHD, z układem optycznym przemiatającym obraz wykorzystującym zwierciadła galwanometryczne.

Opracowanie bardzo czułego systemu zdolnego do pomiaru zórz polarnych w temperaturze 1 kR (1 kilo-Rayleigha) zajęło pięć lat od etapu planowania. W maju 2023 roku system ten został zainstalowany w KEOPS w Centrum Kosmicznym Esrange Szwedzkiej Korporacji Kosmicznej w Kirunie w Szwecji, które znajduje się tuż poniżej pasa zorzowego i może obserwować zorze z dużą częstotliwością. Systemowi udało się uzyskać hiperspektralne obrazy zórz polarnych, czyli ich dwuwymiarowe obrazy w podziale na długość fali. Obserwacje rozpoczęły się we wrześniu 2023 r., a dane zebrano zdalnie w Japonii.

Analiza kolorów zorzy polarnej

Intensywność emisji zorzy polarnej i pozycje obserwacyjne skalibrowano na podstawie pozycji gwiazd uzyskanych po instalacji, a dane zostaną udostępnione publicznie i gotowe do wykorzystania. Wykorzystując dane obserwacyjne dotyczące rozerwania zorzy polarnej, które miało miejsce 20 października 2023 r., wyjaśniliśmy, jakiego rodzaju dane można przeglądać za pomocą tego systemu. W trakcie tego procesu oszacowaliśmy energię elektronów na podstawie stosunku natężenia światła przy różnych długościach fal, co doprowadziło do publikacji tego artykułu.

Rysunek 1 pokazuje różnicę w kolorze zorzy polarnej, gdy elektrony docierają z niskimi energiami i prędkościami, a gdy docierają do nich z dużymi energiami i prędkościami. Kiedy elektrony są powolne, na dużych wysokościach emitują silne czerwone światło. Z drugiej strony, gdy elektrony są szybkie, przenikają na niższe wysokości i emitują silne zielone lub fioletowe światło.

Rycina 2 to dwuwymiarowy obraz zórz polarnych rozdzielony na każdy kolor (długość fali) obserwowany za pomocą najnowocześniejszej kamery hiperspektralnej. Zaobserwowano różny rozkład według koloru, ponieważ elementy wytwarzające światło różnią się w zależności od wysokości, na której jest ono generowane. W ten sposób udało nam się opracować urządzenie, które może uzyskać dwuwymiarowe obrazy różnych kolorów wytwarzanych przez zorzę polarną.

Wnioski i implikacje dla przyszłych badań

Ze stosunku intensywności światła czerwonego (630 nm) do światła fioletowego (427,8 nm) możemy określić energię przychodzących elektronów, które spowodowały zorzę polarną. Za pomocą kamery hiperspektralnej (HySCAI), która umożliwia dokładną spektroskopię światła, energię przychodzących elektronów podczas obserwowanej w tym czasie eksplozji zorzy polarnej oszacowano na 1600 elektronowoltów (energia równoważna napięciu około 1000 baterie komórkowe). Nie stwierdzono większych rozbieżności w stosunku do wcześniej znanych wartości, co wskazuje, że obserwacje były trafne. Oczekuje się, że kamera hiperspektralna (HySCAI) przyczyni się do rozwiązania ważnych problemów związanych z zorzami polarnymi, takich jak rozmieszczenie wytrącających się elektronów, ich związek z kolorem zorzy oraz mechanizm emisji zorzy polarnej.

Po raz pierwszy uzyskano szczegółowy przestrzenny rozkład barw (obraz dwuwymiarowy), hiperspektralny obraz zorzy polarnej. W wielu wcześniejszych badaniach zórz polarnych stosowano system, w którym światło jest selekcjonowane przez filtr przepuszczający tylko określone długości fal. System ten kompensuje wadę polegającą na obserwacji jedynie ograniczonej liczby długości fal. Obserwując szczegółowe zmiany w widmie, przyczyni się do rozwoju badań zórz polarnych.

Z drugiej strony system zapewni także wgląd w transport energii w wyniku interakcji pomiędzy naładowanymi cząstkami i falami w polu magnetycznym, na co zwraca się uwagę również w plazmach termojądrowych. Oczekuje się, że to interdyscyplinarne badanie będzie prowadzone we współpracy z uniwersytetami i instytutami badawczymi w Japonii i za granicą oraz przyczyni się do rozwoju światowych badań nad zorzami polarnymi.

Odniesienie: „Rozwój kamery hiperspektralnej do obrazowania zorzy polarnej (HySCAI)” autorstwa M. Yoshinuma, K. Ida i Y. Ebihara, 2 sierpnia 2024 r., Ziemia, planety i przestrzeń.
DOI: 10.1186/s40623-024-02039-y