2023 年，美國國家聚變科學研究所的科學家們開發了突破性的高光譜照相機，為極光研究開闢了新的可能性。透過使用等離子體研究的先進技術，這台相機可以捕捉到令人難以置信的極光細節圖像，顯示出不同的顏色，並測量產生這些令人驚嘆的自然景象的電子的能量。這不僅能幫助我們更了解極光，還能應用於研究類似核融合反應器的能源過程。

圖1.使用先進設備觀測極光色差的影像。高能量電子使極光在低空發光，產生紫色光。資料來源：國家聚變科學研究所

極光是由從天而降的電子與高層大氣相互作用而產生的自然發光現象。觀測到的光大部分由中性或電離的氮原子和氧原子的發射線以及分子發射帶組成，顏色由過渡能階、分子振動和旋轉決定。極光有多種特徵顏色，如綠色和紅色，但它們在不同類型的極光中出現的發射過程有多種理論，要了解極光的顏色，必須對光進行分解。要詳細研究極光的發射過程和顏色，需要進行全面的（時間和空間）光譜觀測。

光譜觀測的進展

作為補充，國家聚變科學研究所（NIFS）一直在大型螺旋裝置（LHD）中觀測磁場中等離子體的光發射。已經開發了各種系統來測量等離子體發出的光的光譜，並研究了能量傳輸以及原子和分子發射的過程。透過將此技術和知識應用於極光觀測，可以促進對極光發光的理解，以及對產生極光發光的電子能量產生過程的研究。

圖2.使用最先進的高光譜相機（HySCAI）觀測到的極光各色（波長）影像。資料來源：本作品改編自Springer Nature 的DOI 10.57451/s40623-024-02039-y。

開發高光譜攝影系統

極光觀測使用光學濾光片取得特定顏色的影像，缺點是取得波長有限，解析度低。另一方面，高光譜相機的優點是可以獲得光譜的空間分佈，波長解析度高。研究人員於2018 年啟動了一項開發高靈敏度高光譜相機的計劃，將透鏡光譜儀和EMCCD 相機（曾用於LHD）與使用振鏡的影像掃描光學系統相結合。

從規劃階段開始，花了五年時間才發展出一個高靈敏度的系統，能夠測量1kR（1 千雷勒）的極光。 2023 年5 月，該系統被安裝在瑞典基律納的瑞典航太公司埃斯朗日航太中心的KEOPS 上，該中心位於極光帶正下方，可以高頻率觀測極光。該系統成功地獲取了極光的高光譜影像，即按波長細分的二維影像。觀測始於2023 年9 月，數據是在日本遠端取得的。

分析極光的顏色

根據安裝後獲得的恆星位置，對極光發射強度和觀測位置進行了校準，這些數據將公開提供並隨時可用。 利用2023 年10 月20 日發生的極光破裂觀測數據，明確了使用該系統可以查看哪些數據。在此過程中，根據不同波長的光強度比估算出了電子的能量，從而發表了這篇論文。

圖1 顯示了電子以低能低速到達和以高能量高速到達時極光顏色的差異。當電子速度較慢時，它們會在高空發出強烈的紅光。另一方面，當電子速度較快時，它們會穿透到較低的高度，並發出強烈的綠光或紫光。

圖2 是利用最先進的高光譜相機觀測到的極光按每種顏色（波長）分解的二維影像。之所以能觀察到顏色的不同分佈，是因為產生光線的元素隨光線所產生的高度而不同。因此，研究人員成功地開發了一種設備，可以獲得極光產生的各種顏色的二維影像。

結論與未來研究的啟示

根據紅光（630 奈米）和紫光（427.8 奈米）的強度比，可以確定引起極光的入射電子的能量。高光譜照相機（HySCAI）能夠對光進行精細的光譜分析，透過使用該照相機，估算出在此次極光爆發過程中進入的電子的能量為1600 電子伏特（能量相當於約1000 節乾電池的電壓）。與先前已知的數值沒有重大差異，顯示觀測結果是有效的。預計高光譜照相機（HySCAI）將有助於解決一些重要的極光問題，例如析出電子的分佈、它們與極光顏色的關係以及極光發射機制。

這是首次獲得色彩的詳細空間分佈（二維影像），即北極光的高光譜影像。先前許多的極光研究都使用一種系統，即通過濾光片選擇只通過特定波長的光線。這種系統彌補了只能觀測有限波長的缺點。透過觀測光譜的詳細變化，它將有助於推動極光研究。

另一方面，該系統也將讓人們深入了解帶電粒子和波在磁場中的相互作用所產生的能量傳輸，這在聚變等離子體中也備受關注。預計這項跨學科研究將與國內外的大學和研究機構合作推進，並將為世界極光研究的發展做出貢獻。

編譯自/ ScitechDaily