Aurora Boreal Revelada: Câmera Hipespectral Expõe Detalhes Ocultos da Aurora Boreal

Em 2023, cientistas do Instituto Nacional de Ciência da Fusão desenvolveram uma câmera hiperespectral inovadora que abriu novas possibilidades na pesquisa da aurora.

Ao utilizar tecnologia avançada de plasma estudos, esta câmera captura imagens incrivelmente detalhadas de auroras, mostrando as diferentes cores e medindo a energia dos elétrons que criam essas exibições naturais impressionantes. Isso não apenas nos ajuda a entender melhor a aurora, mas também tem aplicações no estudo de processos de energia semelhantes aos de reatores de fusão.

Auroras são fenômenos luminosos naturais causados ​​pela interação de elétrons caindo do céu e da atmosfera superior. A maior parte da luz observada consiste em linhas de emissão de átomos de nitrogênio e oxigênio neutros ou ionizados e bandas de emissão molecular, e a cor é determinada pelos níveis de energia de transição, vibrações moleculares e rotações. Há uma variedade de cores características das auroras, como verde e vermelho, mas há várias teorias sobre o processo de emissão pelo qual elas aparecem em diferentes tipos de auroras, e para entender as cores das auroras, a luz deve ser decomposta. Observações espectrais abrangentes (temporais e espaciais) são necessárias para estudar os processos de emissão auroral e as cores em detalhes.

Avanços em observações espectrais

Complementarmente, o National Institute for Fusion Science (NIFS) tem observado a emissão de luz do plasma em um campo magnético no Large Helical Device (LHD). Vários sistemas foram desenvolvidos para medir o espectro de luz emitido pelo plasma, e os processos de transporte de energia e emissão atômica e molecular foram estudados. Ao aplicar essa tecnologia e conhecimento às observações aurorais, podemos contribuir para a compreensão da luminescência auroral e o estudo do processo de produção de energia de elétrons que dá origem à luminescência auroral.

Desenvolvimento de um sistema de câmera hiperespectral

A observação da aurora usa filtros ópticos para obter imagens de cores específicas, o que tem a desvantagem de um comprimento de onda de aquisição limitado com baixa resolução. Por outro lado, uma câmera hiperespectral tem a vantagem de obter uma distribuição espacial do espectro com alta resolução de comprimento de onda. Começamos um plano para desenvolver uma câmera hiperespectral de alta sensibilidade em 2018, combinando um espectrômetro de lente com uma câmera EMCCD, que havia sido usada no LHD, com um sistema óptico de varredura de imagem usando espelhos galvanômetros.

Levou cinco anos desde o estágio de planejamento para desenvolver um sistema altamente sensível capaz de medir auroras a 1kR (1 quilo-Rayleigh). Em maio de 2023, este sistema foi instalado no KEOPS no Centro Espacial Esrange da Corporação Espacial Sueca em Kiruna, Suécia, que está localizado logo abaixo do cinturão auroral e pode observar auroras com alta frequência. O sistema conseguiu adquirir imagens hiperespectrais das auroras, ou seja, imagens bidimensionais delas divididas por comprimento de onda. As observações começaram em setembro de 2023, e os dados foram adquiridos remotamente no Japão.

Analisando as cores da Aurora

As intensidades de emissão auroral e as posições de observação foram calibradas, com base nas posições das estrelas obtidas após a instalação, e os dados serão disponibilizados publicamente e prontos para uso. Usando os dados de observação de uma ruptura de aurora que ocorreu em 20 de outubro de 2023, esclarecemos que tipo de dados poderiam ser visualizados usando este sistema. No processo, estimamos a energia dos elétrons a partir da razão de intensidade da luz em diferentes comprimentos de onda, o que levou à publicação deste artigo.

A Figura 1 mostra a diferença na cor da aurora quando os elétrons chegam em baixas energias e velocidades e quando chegam em altas energias e velocidades. Quando os elétrons são lentos, eles emitem uma forte luz vermelha em altas altitudes. Por outro lado, quando os elétrons são rápidos, eles penetram em altitudes mais baixas e emitem uma forte luz verde ou roxa.

A Figura 2 é uma imagem bidimensional de auroras resolvidas em cada cor (comprimento de onda) observada com a câmera hiperespectral de última geração. A distribuição diferente por cor foi observada porque os elementos que produzem a luz diferem de acordo com a altura em que a luz é gerada. Assim, conseguimos desenvolver um dispositivo que pode obter imagens bidimensionais das várias cores produzidas pela aurora boreal.

Conclusão e implicações para pesquisas futuras

A partir da razão entre a intensidade da luz vermelha (630 nm) e a luz roxa (427,8 nm), podemos determinar a energia dos elétrons incidentes que causaram a aurora. Usando a câmera hiperespectral (HySCAI), que é capaz de espectroscopia fina de luz, a energia dos elétrons incidentes durante a explosão auroral observada neste momento foi estimada em 1600 elétron-volts (uma energia equivalente à voltagem de cerca de 1000 baterias de célula seca). Não houve grandes discrepâncias com valores previamente conhecidos, indicando que as observações eram válidas. Espera-se que a Câmera Hipespectral (HySCAI) contribua para resolver questões importantes sobre auroras, como a distribuição de elétrons precipitantes, sua relação com a cor auroral e o mecanismo de emissão auroral.

Pela primeira vez, uma distribuição espacial detalhada de cor (uma imagem bidimensional), uma imagem hiperespectral da aurora boreal, foi obtida. Muitos estudos aurorais anteriores usaram um sistema no qual a luz é selecionada por um filtro que passa apenas certos comprimentos de onda. Este sistema compensa a desvantagem de observar apenas um número limitado de comprimentos de onda. Ao observar mudanças detalhadas no espectro, ele contribuirá para o avanço da pesquisa auroral.

Por outro lado, o sistema também fornecerá insights sobre o transporte de energia devido à interação entre partículas carregadas e ondas em um campo magnético, o que também está atraindo atenção em plasmas de fusão. Espera-se que este estudo interdisciplinar seja avançado em cooperação com universidades e institutos de pesquisa no Japão e no exterior, e contribua para o desenvolvimento da pesquisa mundial sobre aurora.