[논문] 초분광 카메라를 통한 오로라 보레알리스의 첫 번째 전체 2D 스펙트럼 이미지

오로라는 하늘과 상층 대기에서 떨어지는 전자의 상호작용으로 인해 발생하는 자연적 발광 현상입니다. 관찰된 빛의 대부분은 중성 또는 이온화된 질소와 산소 원자의 방출선과 분자 방출 대역으로 구성되며, 색상은 전이 에너지 준위, 분자 진동 및 회전에 의해 결정됩니다.

오로라의 특징적인 색상은 녹색과 빨간색 등 다양하지만, 다양한 유형의 오로라에서 나타나는 방출 과정에 대한 여러 이론이 있으며, 오로라의 색상을 이해하려면 빛을 분해해야 합니다. 오로라 방출 과정과 색상을 자세히 연구하려면 포괄적(시간적, 공간적) 스펙트럼 관측이 필요합니다.

국립핵융합과학연구소(NIFS)에서는 플라즈마에서 나오는 빛의 방출을 관측해 왔습니다. 자기장 대형 나선형 장치(LHD)에서. 플라즈마에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 측정하기 위해 다양한 시스템이 개발되었고, 에너지 전달과 원자 및 분자 방출 프로세스가 연구되었습니다.

이러한 기술과 지식을 오로라 관측에 적용하면 오로라 발광을 이해하고 오로라 발광을 일으키는 전자의 에너지 생산 과정을 연구하는 데 기여할 수 있습니다.

오로라 관측은 특정 색상의 영상을 얻기 위해 광학 필터를 사용하는데, 이는 낮은 해상도와 제한된 획득 파장이라는 단점이 있습니다.

반면, 초분광 카메라는 높은 파장 분해능으로 스펙트럼의 공간 분포를 얻는 장점이 있습니다. 연구자들은 2018년에 LHD에서 사용되었던 EMCCD 카메라와 렌즈 분광기를 결합하여 갈바노미터 미러를 사용한 이미지 스윕 광학 시스템을 통해 고감도 초분광 카메라를 개발하는 계획을 시작했습니다.

1kR(1킬로-레이리)의 오로라를 측정할 수 있는 고감도 시스템을 개발하는 데 기획 단계부터 5년이 걸렸습니다. 이 시스템은 2023년 5월 스웨덴 키루나에 있는 스웨덴 우주 공사의 에스랑게 우주 센터의 KEOPS에 설치되었습니다. 이곳은 오로라 벨트 바로 아래에 위치하고 높은 주파수로 오로라를 관측할 수 있습니다.

이 시스템은 오로라의 초분광 이미지, 즉 파장별로 구분된 2차원 이미지를 획득하는 데 성공했습니다. 관측은 2023년 9월에 시작되었으며, 데이터는 일본에서 원격으로 수집되었습니다.

오로라 방출 강도와 관측 위치는 설치 후 얻은 별의 위치를 ​​토대로 보정되었으며, 해당 데이터는 대중에게 공개되어 바로 사용할 수 있게 됩니다.

관측 데이터를 사용하여 오로라 2023년 10월 20일에 발생한 분리를 통해 그들은 이 시스템을 사용하여 어떤 종류의 데이터를 볼 수 있는지 명확히 했습니다. 그 과정에서 그들은 다양한 파장의 빛의 강도 비율로부터 전자의 에너지를 추정했고, 이를 통해 종이 ~에 지구, 행성 및 우주.

전자가 낮은 에너지와 속도로 도착할 때와 높은 에너지와 속도로 도착할 때 오로라의 색상에는 차이가 있습니다. 전자가 느릴 때 높은 고도에서 강한 붉은 빛을 방출합니다. 반면 전자가 빠를 때 낮은 고도로 침투하여 강한 녹색 또는 보라색 빛을 방출합니다.

최첨단 초분광 카메라로 각 색상(파장)으로 분해된 오로라의 2차원 영상을 관찰했다. 색상별 분포가 다른 것은 빛을 생성하는 원소가 빛이 생성되는 높이에 따라 다르기 때문이다. 이를 통해 연구진은 오로라 보레알리스가 생성하는 다양한 색상의 2차원 영상을 얻을 수 있는 장치를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

그들은 붉은색 빛(630nm)과 보라색 빛(427.8nm)의 세기 비율을 통해 오로라를 발생시킨 유입 전자의 에너지를 결정할 수 있습니다.

빛의 정밀한 분광이 가능한 초분광 카메라(HySCAI)를 이용해, 이때 관측된 오로라 폭발 시 유입 전자의 에너지는 약 1,600전자볼트(건전지 약 1,000개 전압에 해당하는 에너지)로 추산되었습니다.

이전에 알려진 값과 큰 불일치는 없었으며, 이는 관측이 유효함을 나타냅니다. 초분광 카메라(HySCAI)는 침전 전자의 분포, 오로라 색상과의 관계, 오로라 방출 메커니즘과 같은 중요한 오로라 문제를 해결하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

처음으로, 공간 분포의 세부적인 색상 (2차원 이미지), 오로라의 초분광 이미지가 얻어졌습니다.

이전의 많은 오로라 연구에서는 다음과 같은 시스템을 사용했습니다. 빛 특정 파장만을 통과시키는 필터에 의해 선택된다. 이 시스템은 제한된 수의 파장만을 관찰하는 단점을 보완한다. 스펙트럼의 세부적인 변화를 관찰함으로써 오로라 연구의 발전에 기여할 것이다.

이 시스템은 또한 다음에 대한 통찰력을 제공합니다. 에너지 자기장에서 대전된 입자와 파동의 상호작용으로 인한 수송은 핵융합 플라스마에서도 주목을 받고 있습니다. 이 학제간 연구는 일본과 해외의 대학 및 연구 기관과 협력하여 진행될 것으로 기대되며, 전 세계 오로라 연구의 발전에 기여할 것입니다.