2023 年，美国国家聚变科学研究所的科学家们开发出了一种突破性的高光谱照相机，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，这台照相机可以捕捉到令人难以置信的极光细节图像，显示出不同的颜色，并测量产生这些令人惊叹的自然景象的电子的能量。这不仅能帮助我们更好地了解极光，还能应用于研究类似核聚变反应堆的能源过程。
图 1.使用先进设备观测极光色差的图像。高能电子使极光在低空发光，产生紫色光。资料来源：国家聚变科学研究所
极光是由从天而降的电子与高层大气相互作用而产生的自然发光现象。观测到的光大部分由中性或电离的氮原子和氧原子的发射线以及分子发射带组成，颜色由过渡能级、分子振动和旋转决定。极光有多种特征颜色，如绿色和红色，但它们在不同类型的极光中出现的发射过程有多种理论，要了解极光的颜色，必须对光进行分解。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
作为补充，国家聚变科学研究所（NIFS）一直在大型螺旋装置（LHD）中观测磁场中等离子体的光发射。已经开发了各种系统来测量等离子体发出的光的光谱，并研究了能量传输以及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，可以促进对极光发光的理解，以及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）观测到的极光各色（波长）图像。来源：本作品改编自 Springer Nature 的 DOI 10.57451/s40623-024-02039-y。
开发高光谱摄像系统
极光观测使用光学滤光片获取特定颜色的图像，缺点是获取波长有限，分辨率低。另一方面，高光谱相机的优点是可以获得光谱的空间分布，波长分辨率高。研究人员于 2018 年启动了一项开发高灵敏度高光谱照相机的计划，将透镜光谱仪和 EMCCD 照相机（曾用于 LHD）与使用振镜的图像扫描光学系统相结合。
从规划阶段开始，花了五年时间才开发出一个高灵敏度的系统，能够测量 1kR（1 千雷勒）的极光。2023 年 5 月，该系统被安装在瑞典基律纳的瑞典航天公司埃斯朗日航天中心的 KEOPS 上，该中心位于极光带正下方，可以高频率观测极光。该系统成功地获取了极光的高光谱图像，即按波长细分的二维图像。观测始于 2023 年 9 月，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，这些数据将公开提供并随时可以使用。 利用 2023 年 10 月 20 日发生的极光破裂观测数据，明确了使用该系统可以查看哪些数据。在此过程中，根据不同波长的光强比估算出了电子的能量，从而发表了这篇论文。
图 1 显示了电子以低能低速到达和以高能高速到达时极光颜色的不同。当电子速度较慢时，它们会在高空发出强烈的红光。另一方面，当电子速度较快时，它们会穿透到较低的高度，并发出强烈的绿光或紫光。
图 2 是利用最先进的高光谱相机观测到的极光按每种颜色（波长）分解的二维图像。之所以能观察到颜色的不同分布，是因为产生光线的元素随光线产生的高度而不同。因此，研究人员成功地开发了一种设备，可以获得极光产生的各种颜色的二维图像。
结论和对未来研究的启示
根据红光（630 纳米）和紫光（427.8 纳米）的强度比，可以确定引起极光的入射电子的能量。高光谱照相机（HySCAI）能够对光进行精细的光谱分析，通过使用该照相机，估算出在此次极光爆发过程中进入的电子的能量为 1600 电子伏特（能量相当于约 1000 节干电池的电压）。与之前已知的数值没有重大差异，表明观测结果是有效的。预计高光谱照相机（HySCAI）将有助于解决一些重要的极光问题，如析出电子的分布、它们与极光颜色的关系以及极光发射机制。
这是首次获得色彩的详细空间分布（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一种系统，即通过滤光片选择只通过特定波长的光线。这种系统弥补了只能观测有限波长的缺点。通过观测光谱的详细变化，它将有助于推动极光研究。
另一方面，该系统还将让人们深入了解带电粒子和波在磁场中的相互作用所产生的能量传输，这在聚变等离子体中也备受关注。预计这项跨学科研究将与国内外的大学和研究机构合作推进，并将为世界极光研究的发展做出贡献。
编译自/ScitechDaily