Cahaya Utara Terungkap: Kamera Hyperspectral Mengungkap Element Tersembunyi Aurora Borealis

Gambar 1. Gambar pengamatan perbedaan warna pada aurora borealis menggunakan peralatan canggih. Elektron berenergi tinggi membuat aurora bersinar pada ketinggian yang lebih rendah, menghasilkan cahaya ungu. Kredit: Nationwide Institute for Fusion Science

Pada tahun 2023, para ilmuwan di Institut Nasional untuk Ilmu Fusi mengembangkan kamera hiperspektral inovatif yang telah membuka kemungkinan baru dalam penelitian aurora.

Dengan menggunakan teknologi canggih dari plasma Studi ini menangkap gambar aurora yang sangat rinci, memperlihatkan warna-warna yang berbeda, dan mengukur energi elektron yang menciptakan tampilan alam yang menakjubkan ini. Ini tidak hanya membantu kita memahami aurora dengan lebih baik, tetapi juga memiliki aplikasi dalam mempelajari proses energi yang mirip dengan yang terjadi di reaktor fusi.

Aurora adalah fenomena cahaya alami yang disebabkan oleh interaksi elektron yang jatuh dari langit dan atmosfer atas. Sebagian besar cahaya yang diamati terdiri dari garis emisi atom nitrogen dan oksigen netral atau terionisasi dan pita emisi molekuler, dan warnanya ditentukan oleh tingkat energi transisi, getaran molekuler, dan rotasi. Ada berbagai warna karakteristik aurora, seperti hijau dan merah, tetapi ada beberapa teori tentang proses emisi yang menyebabkan munculnya aurora dalam berbagai jenis aurora, dan untuk memahami warna aurora, cahayanya harus dipecah. Pengamatan spektral yang komprehensif (temporal dan spasial) diperlukan untuk mempelajari proses emisi dan warna aurora secara terperinci.

Kemajuan dalam Pengamatan Spektral

Sebagai pelengkap, Nationwide Institute for Fusion Science (NIFS) telah mengamati emisi cahaya dari plasma dalam medan magnet di Giant Helical Machine (LHD). Berbagai sistem telah dikembangkan untuk mengukur spektrum cahaya yang dipancarkan dari plasma, dan proses transportasi energi serta emisi atom dan molekul telah dipelajari. Dengan menerapkan teknologi dan pengetahuan ini pada pengamatan aurora, kita dapat berkontribusi pada pemahaman tentang pendaran cahaya aurora dan studi tentang proses produksi energi elektron yang menghasilkan pendaran cahaya aurora.

Gambar 2. Citra aurora yang diurai menjadi setiap warna (panjang gelombang) yang diamati dengan kamera hyperspectral mutakhir (HySCAI). Kredit: Karya ini diadaptasi dari DOI 10.57451/s40623-024-02039-y oleh Springer Nature

Pengembangan Sistem Kamera Hiperspektral

Pengamatan aurora menggunakan filter optik untuk memperoleh gambar warna tertentu, yang memiliki kelemahan berupa panjang gelombang akuisisi terbatas dengan resolusi rendah. Di sisi lain, kamera hiperspektral memiliki keuntungan dalam memperoleh distribusi spasial spektrum dengan resolusi panjang gelombang tinggi. Kami memulai rencana untuk mengembangkan kamera hiperspektral sensitivitas tinggi pada tahun 2018 dengan menggabungkan spektrometer lensa dengan kamera EMCCD, yang telah digunakan di LHD, dengan sistem optik sapuan gambar menggunakan cermin galvanometer.

Butuh waktu lima tahun sejak tahap perencanaan untuk mengembangkan sistem yang sangat sensitif yang mampu mengukur aurora pada 1kR (1 kilo-Rayleigh). Pada Mei 2023, sistem ini dipasang di KEOPS di Pusat Antariksa Esrange milik Swedish Area Company di Kiruna, Swedia, yang terletak tepat di bawah sabuk aurora dan dapat mengamati aurora dengan frekuensi tinggi. Sistem ini berhasil memperoleh gambar hiperspektral dari aurora, yaitu gambar dua dimensi yang dipecah berdasarkan panjang gelombang. Pengamatan dimulai pada September 2023, dan knowledge telah diperoleh dari jarak jauh di Jepang.

Menganalisis Warna Aurora

Intensitas emisi aurora dan posisi pengamatan dikalibrasi berdasarkan posisi bintang yang diperoleh setelah pemasangan, dan datanya akan tersedia untuk umum dan siap digunakan. Dengan menggunakan knowledge pengamatan dari pemecahan aurora yang terjadi pada 20 Oktober 2023, kami mengklarifikasi jenis knowledge apa yang dapat dilihat menggunakan sistem ini. Dalam prosesnya, kami memperkirakan energi elektron dari rasio intensitas cahaya pada panjang gelombang yang berbeda, yang menghasilkan publikasi makalah ini.

Gambar 1 menunjukkan perbedaan warna aurora saat elektron tiba pada energi dan kecepatan rendah dan saat tiba pada energi dan kecepatan tinggi. Saat elektron bergerak lambat, mereka memancarkan cahaya merah yang kuat di ketinggian tinggi. Di sisi lain, saat elektron bergerak cepat, mereka menembus ke ketinggian rendah dan memancarkan cahaya hijau atau ungu yang kuat.

Gambar 2 adalah gambar dua dimensi aurora yang diurai menjadi setiap warna (panjang gelombang) yang diamati dengan kamera hiperspektral canggih. Distribusi warna yang berbeda diamati karena unsur-unsur yang menghasilkan cahaya berbeda menurut ketinggian tempat cahaya dihasilkan. Dengan demikian, kami telah berhasil mengembangkan perangkat yang dapat memperoleh gambar dua dimensi dari berbagai warna yang dihasilkan oleh aurora borealis.

Kesimpulan dan Implikasi untuk Penelitian Masa Depan

Dari rasio intensitas cahaya merah (630nm) terhadap cahaya ungu (427,8nm), kita dapat menentukan energi elektron yang masuk yang menyebabkan aurora. Dengan menggunakan kamera hiperspektral (HySCAI), yang mampu melakukan spektroskopi cahaya secara halus, energi elektron yang masuk selama ledakan aurora yang diamati saat ini diperkirakan sebesar 1600 elektron volt (energi yang setara dengan tegangan sekitar 1000 baterai sel kering). Tidak ada perbedaan besar dengan nilai yang diketahui sebelumnya, yang menunjukkan bahwa pengamatan tersebut legitimate. Kamera Hiperspektral (HySCAI) diharapkan dapat berkontribusi untuk memecahkan masalah aurora yang penting seperti distribusi elektron yang mengendap, hubungannya dengan warna aurora, dan mekanisme emisi aurora.

Untuk pertama kalinya, distribusi spasial warna yang terperinci (gambar dua dimensi), gambar hiperspektral aurora borealis, telah diperoleh. Banyak penelitian aurora sebelumnya telah menggunakan sistem di mana cahaya dipilih oleh filter yang hanya melewati panjang gelombang tertentu. Sistem ini mengimbangi kerugian dari pengamatan hanya sejumlah panjang gelombang yang terbatas. Dengan mengamati perubahan terperinci dalam spektrum, sistem ini akan berkontribusi pada kemajuan penelitian aurora.

Di sisi lain, sistem ini juga akan memberikan wawasan tentang transportasi energi akibat interaksi antara partikel bermuatan dan gelombang dalam medan magnet, yang juga menarik perhatian dalam plasma fusi. Diharapkan bahwa studi interdisipliner ini akan dikembangkan melalui kerja sama dengan universitas dan lembaga penelitian di Jepang dan luar negeri, dan akan berkontribusi pada pengembangan penelitian aurora di seluruh dunia.

Referensi: “Pengembangan kamera hyperspectral untuk pencitraan aurora (HySCAI)” oleh M. Yoshinuma, Ok. Ida dan Y. Ebihara, 2 Agustus 2024, Bumi, Planet dan Luar Angkasa.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1186/s40623-024-02039-y