Hiperspektral kameradan Aurora Borealis’in ilk tam 2 boyutlu spektral görüntüsü

Auroralar, gökyüzünden ve üst atmosferden düşen elektronların etkileşimiyle oluşan doğal ışık olaylarıdır. Gözlemlenen ışığın çoğu, nötr veya iyonize azot ve oksijen atomlarının emisyon çizgilerinden ve moleküler emisyon bantlarından oluşur ve renk, geçiş enerji seviyeleri, moleküler titreşimler ve dönüşler tarafından belirlenir.

Yeşil ve kırmızı gibi çeşitli karakteristik aurora renkleri vardır, ancak farklı aurora türlerinde ortaya çıkmalarının emisyon süreci hakkında birden fazla teori vardır ve auroraların renklerini anlamak için ışığın parçalanması gerekir. Aurora emisyon süreçlerini ve renklerini ayrıntılı olarak incelemek için kapsamlı (zamansal ve mekansal) spektral gözlemlere ihtiyaç vardır.

Ulusal Füzyon Bilimi Enstitüsü (NIFS), Büyük Helikal Aygıt’ta (LHD) bir manyetik alandaki plazmadan ışık emisyonunu gözlemlemektedir. Plazmadan yayılan ışığın spektrumunu ölçmek için çeşitli sistemler geliştirilmiştir ve enerji taşıma ve atomik ve moleküler emisyon süreçleri incelenmiştir.

Bu teknoloji ve bilgiyi aurora gözlemlerine uygulayarak, aurora lüminesansının anlaşılmasına ve aurora lüminesansına yol açan elektronların enerji üretim sürecinin incelenmesine katkıda bulunabiliriz.

Aurora gözlemi, belirli renklerin görüntülerini elde etmek için optik filtreler kullanır; ancak bu, düşük çözünürlükte sınırlı bir edinim dalga boyu dezavantajına sahiptir.

Öte yandan, hiperspektral bir kamera, yüksek dalga boyu çözünürlüğüyle spektrumun mekansal dağılımını elde etme avantajına sahiptir. Araştırmacılar, 2018’de LHD’de kullanılan bir EMCCD kameralı bir lens spektrometresini, galvanometre aynaları kullanan bir görüntü tarama optik sistemiyle birleştirerek yüksek hassasiyetli bir hiperspektral kamera geliştirme planına başladılar.

1kR’de (1 kilo-Rayleigh) auroraları ölçebilen son derece hassas bir sistem geliştirmek planlama aşamasından beş yıl sürdü. Bu sistem Mayıs 2023’te İsveç Uzay Şirketi’nin İsveç’in Kiruna kentindeki Esrange Uzay Merkezi’ndeki KEOPS’a kuruldu. Bu merkez, aurora kuşağının hemen altında yer alır ve auroraları yüksek frekansta gözlemleyebilir.

Sistem, auroraların hiperspektral görüntülerini, yani dalga boyuna göre parçalanmış iki boyutlu görüntülerini elde etmeyi başardı. Gözlemler Eylül 2023’te başladı ve veriler Japonya’da uzaktan elde edildi.

Kurulum sonrasında elde edilen yıldız konumlarına göre aurora emisyon yoğunlukları ve gözlem konumları kalibre edilerek, veriler kamuoyuna açık ve kullanıma hazır hale getirilecek.

20 Ekim 2023’te gerçekleşen bir aurora dağılmasından elde edilen gözlem verilerini kullanarak, bu sistem kullanılarak ne tür verilerin görüntülenebileceğini açıklığa kavuşturdular. Bu süreçte, farklı dalga boylarındaki ışığın yoğunluk oranından elektronların enerjisini tahmin ettiler ve bu da bir yayına yol açtı kağıt içinde Dünya, Gezegenler ve Uzay.

Elektronlar düşük enerji ve hızlarda geldiklerinde ve yüksek enerji ve hızlarda geldiklerinde auroranın renginde bir fark vardır. Elektronlar yavaş olduğunda, yüksek irtifalarda güçlü kırmızı ışık yayarlar. Öte yandan, elektronlar hızlı olduğunda, daha düşük irtifalara nüfuz eder ve güçlü yeşil veya mor ışık yayarlar.

Auroraların her renge (dalga boyu) ayrıştırılmış iki boyutlu bir görüntüsü, son teknoloji hiperspektral kamera ile gözlemlendi. Renklere göre farklı dağılım, ışığı üreten elementlerin ışığın üretildiği yüksekliğe göre farklılık göstermesi nedeniyle gözlemlendi. Bu nedenle araştırmacılar, aurora borealis tarafından üretilen çeşitli renklerin iki boyutlu görüntülerini elde edebilen bir cihaz geliştirmeyi başardıklarını söylüyorlar.

Kırmızı ışığın (630nm) yoğunluğunun mor ışığa (427.8nm) oranından, auroralara neden olan gelen elektronların enerjisini belirleyebiliyorlar.

Işığın hassas spektroskopisini yapabilen hiperspektral kamera (HySCAI) kullanılarak, bu sırada gözlenen aurora patlaması sırasında gelen elektronların enerjisinin 1.600 elektron volt (yaklaşık 1.000 kuru pilin voltajına eşdeğer bir enerji) olduğu tahmin edilmiştir.

Daha önce bilinen değerlerle önemli bir tutarsızlık yoktu, bu da gözlemlerin geçerli olduğunu gösteriyor. Hiperspektral Kamera’nın (HySCAI), çökelen elektronların dağılımı, bunların auroral renkle ilişkisi ve auroral emisyon mekanizması gibi önemli auroral sorunları çözmeye katkıda bulunması bekleniyor.

İlk kez, aurora borealis’in hiperspektral görüntüsü olan, rengin ayrıntılı mekansal dağılımı (iki boyutlu görüntü) elde edildi.

Birçok önceki aurora çalışması, ışığın yalnızca belirli dalga boylarını geçiren bir filtre tarafından seçildiği bir sistem kullanmıştır. Bu sistem, yalnızca sınırlı sayıda dalga boyunu gözlemlemenin dezavantajını telafi eder. Spektrumda ayrıntılı değişiklikleri gözlemleyerek, aurora araştırmalarının ilerlemesine katkıda bulunacaktır.

Sistem ayrıca yüklü parçacıklar ve manyetik alandaki dalgalar arasındaki etkileşimden kaynaklanan enerji taşınımına dair içgörüler sağlayacak ve bu da füzyon plazmalarında ilgi çekmektedir. Bu disiplinler arası çalışmanın Japonya ve yurtdışındaki üniversiteler ve araştırma enstitüleriyle iş birliği içinde ilerletilmesi ve dünya çapında aurora araştırmalarının geliştirilmesine katkıda bulunması beklenmektedir.