Figure 1. Images de l'observation des différences de couleur dans les aurores boréales à l'aide d'un équipement de pointe. Des électrons à haute énergie font briller les aurores à basse altitude, produisant une lumière violette. Crédit : National Institute for Fusion Science
En 2023, des scientifiques de l’Institut national des sciences de la fusion ont développé une caméra hyperspectrale révolutionnaire qui a ouvert de nouvelles possibilités dans la recherche sur les aurores.
En utilisant la technologie avancée de plasma Grâce à des études, cette caméra capture des images incroyablement détaillées des aurores boréales, montrant les différentes couleurs et mesurant l'énergie des électrons qui créent ces étonnants spectacles naturels. Cela nous aide non seulement à mieux comprendre les aurores boréales, mais a également des applications dans l'étude des processus énergétiques similaires à ceux des réacteurs à fusion.
Les aurores boréales sont des phénomènes lumineux naturels provoqués par l'interaction des électrons tombant du ciel et de la haute atmosphère. La majeure partie de la lumière observée est constituée de lignes d'émission d'atomes d'azote et d'oxygène neutres ou ionisés et de bandes d'émission moléculaires, et la couleur est déterminée par les niveaux d'énergie de transition, les vibrations moléculaires et les rotations. Il existe une variété de couleurs caractéristiques des aurores boréales, telles que le vert et le rouge, mais il existe de nombreuses théories sur le processus d'émission par lequel elles apparaissent dans différents types d'aurores boréales, et pour comprendre les couleurs des aurores boréales, la lumière doit être décomposée. Des observations spectrales complètes (temporelles et spatiales) sont nécessaires pour étudier en détail les processus d'émission et les couleurs des aurores boréales.
Progrès dans les observations spectrales
En complément, l'Institut national des sciences de la fusion (NIFS) a observé l'émission de lumière du plasma dans un champ magnétique dans le Grand dispositif hélicoïdal (LHD). Différents systèmes ont été développés pour mesurer le spectre de la lumière émise par le plasma, et les processus de transport d'énergie et d'émission atomique et moléculaire ont été étudiés. En appliquant cette technologie et ces connaissances aux observations aurorales, nous pouvons contribuer à la compréhension de la luminescence aurorale et à l'étude du processus de production d'énergie des électrons qui donne naissance à la luminescence aurorale.
Figure 2. Images d'aurores boréales résolues en chaque couleur (longueur d'onde) observées avec la caméra hyperspectrale de pointe (HySCAI). Crédit : Ce travail est adapté du DOI 10.57451/s40623-024-02039-y de Springer Nature
Développement d'un système de caméra hyperspectrale
L'observation des aurores boréales utilise des filtres optiques pour obtenir des images de couleurs spécifiques, ce qui présente l'inconvénient d'une longueur d'onde d'acquisition limitée avec une faible résolution. En revanche, une caméra hyperspectrale présente l'avantage d'obtenir une distribution spatiale du spectre avec une résolution de longueur d'onde élevée. Nous avons lancé en 2018 un projet de développement d'une caméra hyperspectrale à haute sensibilité en combinant un spectromètre à lentille avec une caméra EMCCD, qui avait été utilisée dans le LHD, avec un système optique de balayage d'image utilisant des miroirs galvanométriques.
Il a fallu cinq ans, de la phase de planification, pour développer un système extrêmement sensible capable de mesurer les aurores à 1 kR (1 kilo-Rayleigh). En mai 2023, ce système a été installé à KEOPS au centre spatial Esrange de la Société spatiale suédoise à Kiruna, en Suède, qui est situé juste en dessous de la ceinture aurorale et peut observer les aurores à haute fréquence. Le système a réussi à acquérir des images hyperspectrales des aurores, c'est-à-dire des images bidimensionnelles de celles-ci décomposées par longueur d'onde. Les observations ont commencé en septembre 2023 et les données ont été acquises à distance au Japon.
Analyse des couleurs des aurores boréales
Les intensités d'émission aurorale et les positions d'observation ont été calibrées en fonction des positions des étoiles obtenues après l'installation, et les données seront rendues publiques et prêtes à être utilisées. En utilisant les données d'observation d'une rupture d'aurore survenue le 20 octobre 2023, nous avons clarifié le type de données qui pouvaient être visualisées à l'aide de ce système. Au cours du processus, nous avons estimé l'énergie des électrons à partir du rapport d'intensité de la lumière à différentes longueurs d'onde, ce qui a conduit à la publication de cet article.
La figure 1 montre la différence de couleur de l'aurore lorsque les électrons arrivent à de faibles énergies et vitesses et lorsqu'ils arrivent à des énergies et vitesses élevées. Lorsque les électrons sont lents, ils émettent une forte lumière rouge à haute altitude. En revanche, lorsque les électrons sont rapides, ils pénètrent à des altitudes plus basses et émettent une forte lumière verte ou violette.
La figure 2 est une image bidimensionnelle des aurores boréales résolues en chaque couleur (longueur d'onde) observée avec la caméra hyperspectrale de pointe. La répartition différente par couleur a été observée parce que les éléments qui produisent la lumière diffèrent selon la hauteur à laquelle la lumière est générée. Ainsi, nous avons réussi à développer un dispositif qui peut obtenir des images bidimensionnelles des différentes couleurs produites par les aurores boréales.
Conclusion et implications pour la recherche future
À partir du rapport entre l'intensité de la lumière rouge (630 nm) et celle de la lumière violette (427,8 nm), nous pouvons déterminer l'énergie des électrons entrants qui ont provoqué l'aurore. En utilisant la caméra hyperspectrale (HySCAI), qui est capable de réaliser une spectroscopie fine de la lumière, l'énergie des électrons entrants lors de l'explosion aurorale observée à ce moment-là a été estimée à 1600 électrons-volts (une énergie équivalente à la tension d'environ 1000 piles sèches). Il n'y a pas eu d'écarts majeurs avec les valeurs connues auparavant, ce qui indique que les observations étaient valides. La caméra hyperspectrale (HySCAI) devrait contribuer à résoudre d'importantes questions aurorales telles que la distribution des électrons précipitants, leur relation avec la couleur aurorale et le mécanisme d'émission aurorale.
Pour la première fois, une distribution spatiale détaillée des couleurs (une image bidimensionnelle), une image hyperspectrale de l'aurore boréale, a été obtenue. De nombreuses études aurorales antérieures ont utilisé un système dans lequel la lumière est sélectionnée par un filtre qui ne laisse passer que certaines longueurs d'onde. Ce système compense l'inconvénient de n'observer qu'un nombre limité de longueurs d'onde. En observant les changements détaillés du spectre, il contribuera à l'avancement de la recherche aurorale.
D'autre part, le système permettra également de mieux comprendre le transport d'énergie grâce à l'interaction entre les particules chargées et les ondes dans un champ magnétique, un sujet qui suscite également l'intérêt dans les plasmas de fusion. Cette étude interdisciplinaire devrait être menée en coopération avec des universités et des instituts de recherche au Japon et à l'étranger, et contribuer au développement de la recherche sur les aurores boréales dans le monde entier.
