Onderzoekers hebben de interacties tussen golven en deeltjes tussen energetische elektronen en refreingolven die zich ontwikkelen in de ruimte rondom de aarde onderzocht met behulp van de wetenschappelijke satelliet Arase en, tegelijkertijd, voorbijgaande poollichtflitsen door het wereldwijde observatienetwerk op de grond. Het onderzoek visualiseerde asymmetrische ruimtelijke ontwikkeling van golf-deeltjesinteractiegebieden in de orde van subseconden. Dit zal naar verwachting bijdragen aan een veilige verkenning van de ruimte door het opstellen van gevarenkaarten van de elektromagnetische omgeving in de ruimte.

Het is bekend dat in de ruimte rondom de aarde (de ruimte tot aan de geostationaire baanhoogte, genaamd Geospace), er zijn gebieden met ingesloten geladen deeltjes die Van Allen-gordels worden genoemd en die commerciële satellietdiensten kunnen beïnvloeden, en er is bezorgdheid dat astronauten kunnen worden blootgesteld aan deze geladen deeltjes, bijvoorbeeld, tijdens een bemande missie naar de maan. Het is bekend dat de hoogenergetische elektronen in de Van Allen-gordels van de aarde worden gegenereerd door resonante interacties van elektromagnetische koorgolven die in de magnetosfeer evolueren met energetische elektronen; dit fenomeen wordt een chorusgolf-deeltjesinteractie genoemd.

Koorgolf-deeltjesinteracties versnellen elektronen tot relativistische energieën en precipiteren ook energetische elektronen uit de magnetosfeer in de atmosfeer van de aarde langs geomagnetische veldlijnen om speciale soorten aurora's te veroorzaken. In aanvulling, energetische elektronen precipiteren in de atmosfeer van de aarde langs aardmagnetische veldlijnen, niet alleen het genereren van aurora's, maar ook het veranderen van de atmosferische samenstelling. Dus, onderzoek van de magnetosfeer, waar de chorus-golf-deeltje-interacties worden gegenereerd, zou aanwijzingen moeten geven over de elektromagnetische omgeving in de magnetosfeer en de effecten ervan op de atmosfeer van de aarde. Dit vakgebied staat al meer dan 50 jaar internationaal in de belangstelling. Echter, aangezien een enkel pakket chorusgolven minder dan een seconde duurt, en aangezien het bijna onmogelijk is om de enorme magnetosfeer te onderzoeken met een beperkt aantal wetenschappelijke satellieten, de ruimtelijke ontwikkeling, vooral, van de magnetosfeer is slecht begrepen.

Met behulp van de wetenschappelijke satelliet Arase, die de dynamiek van Van Allen-gordels en geo-ruimtestormen onderzoekt, het team legde tegelijkertijd niet alleen refreingolfpakketten vast in de magnetosfeer, maar ook voorbijgaande poollichtflitsen van enkele honderden milliseconden ongeveer 30, 000 kilometer van Arase, gegenereerd door chorusgolf-deeltje interacties. Om gelijktijdig aurorae en chorus golf-deeltje interacties vast te leggen, die met elkaar in verband staan, er is een wetenschappelijke satelliet nodig in een geschikte baan, evenals een observatienetwerk op de grond dat geconjugeerde observaties met de satelliet realiseert.

Het onderzoeksteam ontwikkelde een toonaangevend meetsysteem voor elektromagnetische golven dat zich aan boord van de Arase-satelliet bevond, en vestigde PWING (studie van dynamische variatie van deeltjes en golven in de binnenste magnetosfeer met behulp van op de grond gebaseerde netwerkobservaties) die de hele aarde (maar voornamelijk op het noordelijk halfrond) longitudinaal langs bijna dezelfde geomagnetische breedtegraad bestrijkt. Het onderzoeksteam reisde naar elke internationale grondbasis van PWING om nieuwe hooggevoelige camera's en andere instrumenten te installeren (zie "Observatienieuws" op de PWING-webpagina). Dus, het was mogelijk om details van koorgolven vast te leggen door de Arase-satelliet en om gerelateerde aurorae vast te leggen vanaf elke lengtegraad en op elk moment (Figuur 1). Dit maakte gelijktijdige waarnemingen met een hoge tijdresolutie (10 milliseconden) mogelijk.

Een flitsende aurora waargenomen in Gakona, Alaska, een van de internationale bases van PWING, en die is verbonden met de Arase-satelliet langs de aardmagnetische veldlijn, toonde ruimtelijke en intensiteitsvariaties in de orde van honderden milliseconden, die overeenkwam met die van koorgolven in de magnetosfeer (Figuur 2). Deze waarneming onthulde dat een flits-aurora een weergave zou kunnen worden van ruimtelijke ontwikkelingen van golf-deeltjesinteractiegebieden die gepaard gaan met koorgolven.

Intensiteit en ruimtelijke veranderingen van aurorae die op de grond zijn vastgelegd, hebben details van golf-deeltjesinteractiegebieden gevisualiseerd, die niet konden worden vastgelegd door puntwaarnemingen met behulp van een wetenschappelijke satelliet. De waarneming heeft voor het eerst de geomagnetische noord-zuid asymmetrie bevestigd. De waargenomen variaties duiden niet alleen op ruimtelijke evoluties langs aardmagnetische veldlijnen door effectieve resonantie van elektromagnetische golven en elektronen (waarneembaar als tijdsafhankelijke veranderingen van poollichtintensiteit), maar ook op evoluties over aardmagnetische veldlijnen (waarneembaar als ruimtelijke veranderingen van poollichtmorfologie). De waarneming suggereert ook snelle neerslag, in honderden milliseconden, van energetische elektronen in de atmosfeer, die veranderingen in de atmosferische samenstelling teweeg kunnen brengen.

De huidige studie rapporteert voorheen onbekende ruimtelijke ontwikkelingen van golf-deeltjesinteractiegebieden over geomagnetische veldlijnen. Het presenteert analyses met behulp van een wetenschappelijke satelliet en een grondobservatienetwerk. In de toekomst, meer kenmerken van algemene aard zouden moeten worden onthuld door een groot aantal flits-aurora's te analyseren. Echter, er kunnen problemen zijn bij het analyseren van de zeer grote datasets door conventionele visuele observatie, omdat nu is ontdekt dat dergelijke speciale aurorae die details van ruimtelijke ontwikkelingen van golf-deeltjesinteractiegebieden laten zien, een duur hebben van slechts honderden milliseconden.

Niettemin, het onderzoeksteam loste dit probleem op met behulp van kunstmatige intelligentie (AI). Met AI-technologie, het moet mogelijk zijn om gevarenkaarten te maken van de elektromagnetische omgeving van de magnetosfeer, die zal bijdragen aan een veilige verkenning van de ruimte. Het is ook bekend dat chorusgolf-deeltjesinteracties plaatsvinden op andere gemagnetiseerde planeten. De wetenschappelijke missie Mio werd in 2018 gelanceerd om het magnetische veld van Mercurius te bestuderen. Het is uitgerust met een kopie van het door het team ontwikkelde meetsysteem voor elektromagnetische golven.