Norrsken släpps lös: hyperspektral kamera avslöjar dolda detaljer av norrsken

År 2023 utvecklade forskare vid National Institute for Fusion Science en banbrytande hyperspektral kamera som har öppnat nya möjligheter inom norrskensforskning.

Genom att använda avancerad teknik från plasma studier, tar den här kameran otroligt detaljerade bilder av norrsken, visar de olika färgerna och mäter energin hos elektronerna som skapar dessa fantastiska naturliga skärmar. Detta hjälper oss inte bara att förstå norrskenet bättre utan har också tillämpningar för att studera energiprocesser liknande de i fusionsreaktorer.

Norrsken är naturliga ljusfenomen som orsakas av interaktionen mellan elektroner som faller från himlen och den övre atmosfären. Det mesta av det observerade ljuset består av emissionslinjer av neutrala eller joniserade kväve- och syreatomer och molekylära emissionsband, och färgen bestäms av övergångsenerginivåerna, molekylära vibrationer och rotationer. Det finns en mängd olika karakteristiska färger av norrsken, som grönt och rött, men det finns flera teorier om emissionsprocessen genom vilken de uppträder i olika typer av norrsken, och för att förstå färgerna på norrsken måste ljuset brytas ner. Omfattande (temporala och rumsliga) spektrala observationer behövs för att studera norrskens emissionsprocesser och färger i detalj.

Framsteg i spektrala observationer

Som ett komplement har National Institute for Fusion Science (NIFS) observerat ljusemissionen från plasma i ett magnetfält i Large Helical Device (LHD). Olika system har utvecklats för att mäta spektrumet av ljus som emitteras från plasman, och processerna för energitransport och atomär och molekylär emission har studerats. Genom att tillämpa denna teknologi och kunskap på norrskensobservationer kan vi bidra till förståelsen av norrskensluminescens och studiet av den energiproduktionsprocess av elektroner som ger upphov till norrskensluminescens.

Utveckling av ett hyperspektralt kamerasystem

Aurora-observation använder optiska filter för att få bilder av specifika färger, vilket har nackdelen med en begränsad insamlingsvåglängd med låg upplösning. Å andra sidan har en hyperspektral kamera fördelen att erhålla en rumslig fördelning av spektrumet med hög våglängdsupplösning. Vi startade en plan för att utveckla en högkänslig hyperspektralkamera 2018 genom att kombinera en linsspektrometer med en EMCCD-kamera, som hade använts i LHD, med ett bildsvep optiskt system som använder galvanometerspeglar.

Det tog fem år från planeringsstadiet att utveckla ett mycket känsligt system som kan mäta norrsken vid 1kR (1 kilo-Rayleigh). I maj 2023 installerades detta system hos KEOPS vid Rymdbolagets rymdcenter Esrange i Kiruna, Sverige, som ligger strax under norrskensbältet och kan observera norrsken med hög frekvens. Systemet lyckades få hyperspektrala bilder av norrskenet, det vill säga tvådimensionella bilder av dem uppdelade efter våglängd. Observationerna började i september 2023, och data har inhämtats på distans i Japan.

Analysera Auroras färger

Emissionsintensiteterna för norrsken och observationspositionerna kalibrerades, baserat på positionerna för stjärnor som erhölls efter installationen, och data kommer att göras allmänt tillgängliga och redo att användas. Med hjälp av observationsdata från ett norrskensbrott som inträffade den 20 oktober 2023 klargjorde vi vilken typ av data som kunde ses med detta system. I processen uppskattade vi energin hos elektroner från ljusintensitetsförhållandet vid olika våglängder, vilket ledde till publiceringen av denna artikel.

Figur 1 visar skillnaden i färgen på norrsken när elektroner anländer med låga energier och hastigheter och när de anländer med höga energier och hastigheter. När elektronerna är långsamma sänder de ut starkt rött ljus på hög höjd. Å andra sidan, när elektronerna är snabba tränger de ner till lägre höjder och avger ett starkt grönt eller lila ljus.

Figur 2 är en tvådimensionell bild av norrsken upplösta i varje färg (våglängd) som observerats med hyperspektralkameran av den senaste tekniken. Den olika färgfördelningen observerades eftersom de element som producerar ljuset skiljer sig åt beroende på höjden vid vilken ljuset genereras. Därmed har vi lyckats utveckla en anordning som kan få tvådimensionella bilder av de olika färgerna som produceras av norrsken.

Slutsats och konsekvenser för framtida forskning

Från förhållandet mellan intensiteten hos det röda ljuset (630nm) och det lila ljuset (427,8nm), kan vi bestämma energin hos de inkommande elektronerna som orsakade norrskenet. Med hjälp av den hyperspektrala kameran (HySCAI), som är kapabel till finspektroskopi av ljus, uppskattades energin hos de inkommande elektronerna under norrskensexplosionen som observerades vid denna tidpunkt till 1600 elektronvolt (en energi som motsvarar spänningen på cirka 1000 torr- cellbatterier). Det fanns inga större avvikelser med tidigare kända värden, vilket tyder på att observationerna var giltiga. Den hyperspektrala kameran (HySCAI) förväntas bidra till att lösa viktiga norrskensproblem såsom fördelningen av utfällande elektroner, deras förhållande till norrskensfärgen och mekanismen för norrskensemission.

För första gången har en detaljerad rumslig fördelning av färg (en tvådimensionell bild), en hyperspektral bild av norrskenet, erhållits. Många tidigare norrskensstudier har använt ett system där ljus väljs av ett filter som bara passerar vissa våglängder. Detta system kompenserar för nackdelen med att endast observera ett begränsat antal våglängder. Genom att observera detaljerade förändringar i spektrumet kommer det att bidra till att främja norrskensforskningen.

Å andra sidan kommer systemet också att ge insikt i energitransporter på grund av samspelet mellan laddade partiklar och vågor i ett magnetfält, vilket även väcker uppmärksamhet i fusionsplasma. Det förväntas att denna tvärvetenskapliga studie kommer att utvecklas i samarbete med universitet och forskningsinstitut i Japan och utomlands, och kommer att bidra till utvecklingen av världsomspännande norrskensforskning.