Les chercheurs ont étudié les interactions onde-particule entre les électrons énergétiques et les ondes chorus évoluant dans l'espace entourant la Terre à l'aide du satellite scientifique Arase et, simultanément, flashs auroraux transitoires par le réseau mondial d'observation au sol. L'enquête a visualisé le développement spatial asymétrique des régions d'interaction onde-particule de l'ordre de quelques sous-secondes. Cela devrait contribuer à l'exploration sûre et sécurisée de l'espace en établissant des cartes des dangers de l'environnement électromagnétique spatial.

On sait que dans l'espace entourant la Terre (l'espace jusqu'à l'altitude de l'orbite géostationnaire, appelé Geospace), il existe des zones de particules chargées piégées appelées ceintures de Van Allen qui peuvent affecter les services satellitaires commerciaux, et l'on craint que les astronautes ne soient exposés à ces particules chargées, par exemple, dans une mission habitée sur la lune. Les électrons de haute énergie dans les ceintures de Van Allen de la Terre sont connus pour être générés par des interactions résonantes d'ondes de chorus électromagnétiques évoluant dans la magnétosphère avec des électrons énergétiques; ce phénomène est appelé interaction onde de chorus-particule.

Les interactions onde-particule du chœur accélèrent les électrons vers des énergies relativistes et précipitent également les électrons énergétiques de la magnétosphère dans l'atmosphère terrestre le long des lignes de champ géomagnétique pour provoquer des types spéciaux d'aurores. En outre, les électrons énergétiques se précipitent dans l'atmosphère terrestre le long des lignes de champ géomagnétique, non seulement générant des aurores, mais modifiant la composition atmosphérique. Ainsi, étude de la magnétosphère, où les interactions onde de chorus-particule sont générées, devrait donner des indices sur l'environnement électromagnétique de la magnétosphère et de ses effets sur l'atmosphère terrestre. Ce domaine fait l'objet d'une attention internationale depuis plus de 50 ans. Cependant, puisqu'un seul paquet d'ondes de chorus dure moins d'une seconde, et puisqu'il est presque impossible d'étudier la vaste magnétosphère en utilisant un nombre limité de satellites scientifiques, le développement spatial, surtout, de la magnétosphère est mal comprise.

A l'aide du satellite scientifique Arase, qui étudie la dynamique des ceintures de Van Allen ainsi que les tempêtes géospatiales, l'équipe a simultanément capturé non seulement des paquets d'ondes chorus dans la magnétosphère, mais aussi des flashs auroraux transitoires de plusieurs centaines de millisecondes environ 30, A 000 kilomètres d'Arase, générées par les interactions onde-particule de chorus. Afin de capturer simultanément les interactions onde-particule des aurores et du chœur, qui sont liés les uns aux autres, il faut un satellite scientifique sur une orbite appropriée ainsi qu'un réseau d'observation au sol qui réalise des observations conjuguées avec le satellite.

L'équipe de recherche a développé un système de mesure des ondes électromagnétiques de premier plan qui se trouvait à bord du satellite Arase, et a établi PWING (étude de la variation dynamique des particules et des ondes dans la magnétosphère intérieure à l'aide d'observations de réseaux terrestres) couvrant l'ensemble de la Terre (mais principalement dans l'hémisphère nord) longitudinalement le long de presque la même latitude géomagnétique. L'équipe de recherche s'est rendue dans chaque base terrestre internationale de PWING pour installer de nouvelles caméras à haute sensibilité et d'autres instruments (voir « Nouvelles de l'observation » dans la page Web de PWING). Ainsi, il a été possible de capter les détails des ondes chorus par le satellite Arase ainsi que de capter les aurores associées depuis n'importe quelle longitude et à n'importe quel moment (Figure 1). Cela a permis des observations simultanées avec une résolution temporelle élevée (10 millisecondes).

Une aurore éclair observée à Gakona, Alaska, l'une des bases internationales de PWING, et qui est relié au satellite Arase le long de la ligne de champ géomagnétique, ont montré des variations spatiales et d'intensité de l'ordre de la centaine de millisecondes, qui correspondaient à celles des ondes chorus dans la magnétosphère (Figure 2). Cette observation a révélé qu'une aurore éclair pourrait devenir un affichage montrant les développements spatiaux des régions d'interaction onde-particule accompagnant les ondes de chorus.

L'intensité et les changements spatiaux des aurores capturées au sol ont visualisé les détails des régions d'interaction onde-particule, qui n'a pas pu être capturé par des observations ponctuelles à l'aide d'un satellite scientifique. L'observation a confirmé pour la première fois l'asymétrie géomagnétique nord-sud. Les variations observées indiquent non seulement des évolutions spatiales le long des lignes de champ géomagnétique par résonance effective des ondes électromagnétiques et des électrons (observables en tant que changements dépendants du temps de l'intensité aurorale) mais également des évolutions à travers les lignes de champ géomagnétique (observables en tant que changements spatiaux de la morphologie aurorale). L'observation suggère également des précipitations rapides, en centaines de millisecondes, d'électrons énergétiques dans l'atmosphère, ce qui peut entraîner des changements dans la composition de l'atmosphère.

La présente étude rapporte des développements spatiaux jusque-là inconnus des régions d'interaction onde-particule à travers les lignes de champ géomagnétique. Il présente des analyses à l'aide d'un satellite scientifique et d'un réseau d'observation au sol. À l'avenir, davantage de caractéristiques de nature générale devraient être révélées en analysant un grand nombre d'aurores éclair. Cependant, il peut y avoir des difficultés à analyser les très gros ensembles de données par observation visuelle conventionnelle, puisqu'il est maintenant trouvé que de telles aurores spéciales montrant des détails de développements spatiaux des régions d'interaction onde-particule ont une durée de seulement quelques centaines de millisecondes.

Néanmoins, l'équipe de recherche a résolu ce problème en utilisant l'intelligence artificielle (IA). Avec la technologie de l'IA, il doit être possible de réaliser des cartes de dangers de l'environnement électromagnétique de la magnétosphère, qui contribuera à une exploration spatiale sûre et sécurisée. On sait également que des interactions onde de chorus-particules ont lieu sur d'autres planètes magnétisées. La mission scientifique Mio a été lancée en 2018 pour étudier le champ magnétique de Mercure. Il est équipé d'une copie du système de mesure des ondes électromagnétiques développé par l'équipe.