图1所示。利用先进仪器观测北极光色差的图像。高能电子使极光在低海拔地区发光，产生紫色的光。来源:美国国家聚变科学研究所
2023年，美国国家实验室的科学家们美国国家聚变科学研究所开发了一种突破性的高光谱相机，为极光研究开辟了新的可能性。
通过使用等离子体研究的先进技术，这台相机捕捉到了令人难以置信的极光细节图像，显示了不同的颜色，并测量了创造这些令人惊叹的自然奇观的电子的能量。这不是0。不仅能帮助我们更好地理解极光，而且在研究类似于聚变反应堆的能量过程方面也有应用。
极光是由从天而降的电子与上层大气相互作用而产生的自然发光现象。大多数观测到的光由中性或电离的氮原子和氧原子的发射线和分子发射带组成，其颜色由跃迁能级、分子振动和旋转决定。极光有各种各样的特征颜色，比如绿色和红色，但是关于它们在不同类型的极光中出现的发射过程有多种理论，为了理解极光的颜色，光必须被分解。要详细研究极光的发射过程和颜色，需要进行全面的(时间和空间)光谱观测。
光谱观测的进展
此外，美国国家聚变科学研究所(NIFS)一直在大型螺旋装置(LHD)的磁场中观察等离子体的光发射。人们开发了各种系统来测量等离子体发射的光谱，并研究了能量传输和原子和分子发射的过程。通过将这一技术和知识应用于极光观测，我们可以促进对极光发光的理解和对产生极光发光的电子能量产生过程的研究。
图2。用最先进的高光谱相机(HySCAI)观察到的极光图像被分解成每种颜色(波长)。出处:本文改编自Springer Nature的DOI 10.57451/s40623-024-02039-y
高光谱相机系统的研制
极光观测采用滤光片获取特定颜色的图像，缺点是采集波长有限，分辨率较低。另一方面，高光谱相机具有获得高波长分辨率的光谱空间分布的优点。2018年，我们启动了高灵敏度高光谱相机的开发计划，将镜头光谱仪与LHD中使用的EMCCD相机与使用振镜的图像扫描光学系统相结合。
从计划阶段到开发一个能够测量1kR (1kg - rayleigh)极光的高灵敏度系统花了五年时间。2023年5月，该系统安装在位于瑞典基律纳的瑞典航天公司Esrange航天中心的KEOPS上，该中心位于极光带下方，可以观测到高频极光。该系统成功地获得了极光的高光谱图像，即按波长分解的二维图像。观测于2023年9月开始，数据是在日本远程获取的。
分析极光的颜色
根据安装后获得的恒星位置，对极光发射强度和观测位置进行了校准，数据将公开提供并随时可供使用。利用2023年10月20日发生的极光分裂的观测数据，我们澄清了使用该系统可以查看哪些数据。在这个过程中，我们从不同波长的光的强度比中估计出了电子的能量，从而发表了这篇论文。
图1显示了当电子以低能量和速度到达和以高能量和速度到达时，极光颜色的差异。当电子速度缓慢时，它们会在高海拔地区发出强烈的红光。另一方面，当电子速度快时，它们会穿透到较低的高度，并发出强烈的绿光或紫光。
图2是用最先进的高光谱相机观测到的分解成每种颜色(波长)的极光的二维图像。观察到不同颜色的分布是因为产生光的元素根据产生光的高度不同而不同。因此，我们已经成功地开发了一种装置，可以获得由北极光产生的各种颜色的二维图像。
有限公司结论及对未来研究的启示
从红光(630纳米)与紫光(427.8纳米)的强度之比，我们可以确定引起极光的入射电子的能量。利用高光谱相机(HySCAI)，它能够对光进行精细的光谱分析，在此时观测到的极光爆炸期间，入射电子的能量估计为1600电子伏特(相当于大约1000个干电池的电压)。与先前已知值没有重大差异，表明观察结果是有效的。高光谱相机(HySCAI)有望有助于解决重要的极光问题，如沉淀电子的分布，它们与极光颜色的关系，以及极光发射的机制。
首次获得了详细的颜色空间分布(二维图像)，即北极光的高光谱图像。以前的许多极光研究都使用了一种系统，在这种系统中，光被一个只通过特定波长的过滤器所选择。这种系统弥补了只能观测有限波长的缺点。通过观察光谱的详细变化，它将有助于推进极光研究。
另一方面，该系统还将提供由于磁场中带电粒子和波之间相互作用而导致的能量传输的见解，这也吸引了聚变等离子体的关注。期望这项跨学科的研究能够与日本和国外的大学和研究机构合作推进，并为世界极光研究的发展做出贡献。
参考文献:“用于极光成像的高光谱相机(HySCAI)的发展”，作者M. Yoshinuma, K. Ida和Y. Ebihara, 2024年8月2日，地球，行星和空间。DOI: 10.1186 / s40623 - 024 - 02039 - y
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