Los investigadores han investigado las interacciones onda-partícula entre electrones energéticos y ondas de coro que evolucionan en el espacio que rodea la Tierra utilizando el satélite científico Arase y, simultaneamente, destellos aurorales transitorios por la red de observación global terrestre. La investigación visualizó el desarrollo espacial asimétrico de las regiones de interacción onda-partícula en el orden de sub-segundos. Se espera que esto contribuya a la exploración segura del espacio mediante el establecimiento de mapas de peligros del entorno electromagnético espacial.

Se sabe que en el espacio que rodea la Tierra (el espacio hasta la altitud de la órbita geoestacionaria, llamado Geoespacio), hay áreas de partículas cargadas atrapadas llamadas cinturones de Van Allen que pueden afectar los servicios comerciales por satélite, y existe la preocupación de que los astronautas puedan estar expuestos a estas partículas cargadas, por ejemplo, en una misión tripulada a la luna. Se sabe que los electrones de alta energía en los cinturones de Van Allen de la Tierra son generados por interacciones resonantes de ondas de coro electromagnéticas que evolucionan en la magnetosfera con electrones energéticos; este fenómeno se llama interacción onda-partícula de coro.

Las interacciones coro onda-partícula aceleran los electrones a energías relativistas y también precipitan electrones energéticos de la magnetosfera en la atmósfera de la Tierra a lo largo de las líneas del campo geomagnético para causar tipos especiales de auroras. Además, Los electrones energéticos se precipitan en la atmósfera de la Tierra a lo largo de las líneas del campo geomagnético, no solo generando auroras sino cambiando la composición atmosférica. Por lo tanto, investigación de la magnetosfera, donde se generan las interacciones onda-partícula de coro, debería dar pistas sobre el entorno electromagnético en la magnetosfera y sus efectos en la atmósfera de la Tierra. Este campo ha recibido atención internacional durante más de 50 años. Sin embargo, Dado que un solo paquete de ondas de coro dura menos de un segundo, y dado que es casi imposible investigar la vasta magnetosfera utilizando un número limitado de satélites científicos, el desarrollo espacial, especialmente, de la magnetosfera ha sido poco conocido.

Usando el satélite científico Arase, que investiga la dinámica de los cinturones de Van Allen, así como las tormentas geoespaciales, el equipo capturó simultáneamente no solo paquetes de ondas de coro en la magnetosfera, sino también destellos aurorales transitorios de varios cientos de milisegundos alrededor de 30, 000 kilómetros de distancia de Arase, generado por interacciones de onda-partícula de coro. Para capturar simultáneamente auroras y coro interacciones onda-partícula, que están relacionados entre sí, Se requiere un satélite científico en una órbita adecuada así como una red de observación en tierra que realice observaciones conjugadas con el satélite.

El equipo de investigación desarrolló un sistema de medición de ondas electromagnéticas líder en el mundo que estaba a bordo del satélite Arase, y estableció PWING (estudio de la variación dinámica de partículas y ondas en la magnetosfera INTERIOR utilizando observaciones de redes terrestres) que cubre toda la Tierra (pero principalmente en el hemisferio norte) longitudinalmente a lo largo de casi la misma latitud geomagnética. El equipo de investigación viajó a cada base terrestre internacional de PWING para instalar nuevas cámaras de alta sensibilidad y otros instrumentos (ver "Noticias de observación" en la página web de PWING). Por lo tanto, fue posible capturar detalles de las ondas de coro por el satélite Arase, así como capturar las auroras relacionadas desde cualquier longitud y en cualquier momento (Figura 1). Esto permitió observaciones simultáneas con alta resolución de tiempo (10 milisegundos).

Una aurora relámpago observada en Gakona, Alaska, una de las bases internacionales de PWING, y que está conectado con el satélite Arase a lo largo de la línea del campo geomagnético, mostró variaciones espaciales y de intensidad del orden de cientos de milisegundos, que se correspondían con las de las ondas de coro en la magnetosfera (Figura 2). Esta observación reveló que una aurora relámpago podría convertirse en una pantalla que muestre los desarrollos espaciales de las regiones de interacción onda-partícula que acompañan a las ondas de coro.

La intensidad y los cambios espaciales de las auroras capturadas en el suelo han visualizado detalles de las regiones de interacción onda-partícula, que no pueden ser capturados por observaciones puntuales usando un satélite científico. La observación ha confirmado la asimetría geomagnética norte-sur por primera vez. Las variaciones observadas indican no solo evoluciones espaciales a lo largo de las líneas del campo geomagnético por resonancia efectiva de ondas electromagnéticas y electrones (observables como cambios dependientes del tiempo de la intensidad de las auroras) sino también evoluciones a través de las líneas del campo geomagnético (observables como cambios espaciales de la morfología de las auroras). La observación también sugiere precipitaciones rápidas, en cientos de milisegundos, de electrones energéticos a la atmósfera, lo que puede provocar cambios en la composición atmosférica.

El presente estudio informa sobre desarrollos espaciales previamente desconocidos de regiones de interacción onda-partícula a través de líneas de campo geomagnético. Presenta análisis utilizando un satélite científico y una red de observación terrestre. En el futuro, Deberían revelarse más características de carácter general analizando un gran número de auroras relámpago. Sin embargo, puede haber dificultades para analizar grandes conjuntos de datos mediante la observación visual convencional, ya que ahora se encuentra que estas auroras especiales que muestran detalles de desarrollos espaciales de regiones de interacción onda-partícula tienen una duración de solo cientos de milisegundos.

Sin embargo, el equipo de investigación resolvió este problema utilizando inteligencia artificial (IA). Con tecnología AI, Debería ser posible elaborar mapas de peligros del entorno electromagnético de la magnetosfera. lo que contribuirá a una exploración espacial segura y protegida. También se sabe que las interacciones coro onda-partícula tienen lugar en otros planetas magnetizados. La misión científica Mio se lanzó en 2018 para estudiar el campo magnético de Mercurio. Está equipado con una copia del sistema de medición de ondas electromagnéticas desarrollado por el equipo.