重大新發現：極光電子加速區域竟達3萬公里高空
中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2021年1月18日
極光是極區夜間特有的景觀，變化多端又炫麗的極光對大眾極有魅力。
極光產生的原因是位於極光上方的靜電場將電子加速後使其衝撞離地高度約100公里處的大氣分子而產生的發光現象。確切知道靜電場所在的高度是了解極光形成機制的關鍵。近50年來，藉由探空火箭以及衛星的觀測，科學家得知電子加速發生在電離層的冷電漿與磁層的熱電漿混雜的高空中，大約離地約數千公里到2萬公里處。
然而，電子是否能自2萬公里以上的高空被加速到在離地高100公里處生成極光，卻一直是待解的謎團。因為這需要有裝載著高角解析度的電子能量分析儀的衛星，並配合在地面上高時間解析度的全天相機，才有能力與機會對此進行研究。
本研究利用航行於典型極光電子加速區域上方約3萬公里處的地球太空環境探測衛星ARASE所收集的電子能量空間分佈資料，搭配THEMIS地面全天相機取得的觀測資料，交叉分析來找出極光電子的加速區域。ARASE衛星的科學目標是探查地球輻射帶內太空電漿的波與粒子相互作用(wave-particle interactions)，上面裝載著完備的科學儀器，能夠量測太空環境中各種能量的電漿粒子以及電磁場分布。其中的臺灣研發的LEP-e低能量電子分析儀具有高角解析度，使得量測具有生成極光特性的電子成為可能。在本研究中，研究團隊找出THEMIS全天相機記錄到朝低緯度移動薄極光的事件，搭配遠在3萬公里外但身處相同磁力線區域的ARASE衛星的觀測資料進行分析。
分析結果發現在高度更高的區域出現了具有能形成極光特徵的粒子和電磁訊號，如圖一所示。
本所訪問學者風間洋一表示：ARASE衛星上的LEP-e電子儀對本項傑出研究結果功不可沒，身為LEP-e電子儀的開發科學家，我感到與有榮焉。我們的LEP-e電子儀因為靈敏度極高，角分辨率很大，從而讓我們有機會直接測得狹窄螺傾角（pitch angles）內的加速電子。展望未來，希望LEP-e電子儀還有更多科學上的精采貢獻。
圖一：橫軸為時間序列，縱軸為極光緯度分佈（最上圖）和衛星在3萬公里高度觀測獲得的各種粒子、電場與磁場資料，發現與之前在低空的典型極光電子加速區觀測到的一致。
這個訊號與一般在數百或數千公里等較低處的典型極光加速區域所看到的特徵極為類似。值得注意的是，衛星觀測到具有單一能量的電子群往衛星下方移動，這是衛星上方正在發生靜電加速的強力證據。同時，憑藉LEP-e低能量電子分析儀具有高解析能力的精細角通道量測資料，研究團隊首次看到只有向下加速的電子，而卻沒有觀測到因受地球磁場磁鏡力(magnetic mirror force)作用而向上返回的電子，這表明向下的電子在進入地球極光發生區後消失，如圖二所示。
圖二：電子速度分布圖，其中橫軸為與磁場垂直的電子速度，縱軸為與磁場平行的電子速度。圖中藍線的左上方顯示有往下加速的電子，但相對的左下方卻沒有往上加速的電子，代表向下的電子在進入地球極光發生區後消失。
這些觀測結果透露，極光電子加速區域實際上可延伸到比原先認知更高的位置，且電子可以在此更高的區域一路被加速到極光發生的高度。本研究顛覆了一般認為極光加速主要發生在數千公里高度，最高不超過2萬公里高度的觀點。由於衛星所在區域的電漿環境與磁場參數跟在典型加速區的電漿與磁場有很大的不同，所以過去提出的任何理論都無法用來解釋這個在3萬公里以上發現的加速機制。在這個成果發表之後，研究團隊將持續研究是什麼樣的加速機制可以存在於如此高的區域以及電子在3萬公里以上被加速的最大可能高度是多少。
值得一提的是，這項意外的研究成果歸功於ARASE衛星特有的運行軌道以及高性能的科學酬載，可以獲得這樣的成果並不在該衛星科學計畫的原始規劃內。
圖三：觀測結果顯示，極光電子加速區域實際上可延伸到比原先認知更高的位置，且電子可以在此更高區域一路被加速到極光所發生的高度。
論文 Active auroral arc powered by accelerated electrons from very high altitudes，2021年1月18日發表於 Scientific Reports（自然期刊旗下的科學期刊）
論文作者：
今城峻（名古屋大學）、三好由純（名古屋大學）、風間洋一（中央研究院）、浅村和史（宇宙航空研究開發機構）、篠原育（宇宙航空研究開發機構）、塩川和夫（名古屋大学）、笠原禎也（金澤大學）、笠羽康正（東北大學）、松岡彩子（京都大學）、王祥宇（中央研究院）、談永頤（國立成功大學）、張滋芳（國立成功大學）、王伯洲（中央研究院）、Vassilis Angelopoulos（加州大學洛杉磯分校）、Chae-Woo Jun（名古屋大學）、小路真史（名古屋大學）、中村紗都子（名古屋大學）、北原理弘（名古屋大學）、寺本万里子（九州工業大學）、栗田怜（京都大學）、堀智昭（名古屋大學）
本文中的中英名詞對照
Arase (ERG) Satellite ：日文對此衛星的漢字命名為「荒瀨號」，先前2016年發布新聞稿中，臺灣稱之為ERG衛星，而ERG 衛星地英文全名則為：Exploration of energization and Radiation in Geospace
LEP-e：低能量電子分析儀
本文中的專有名詞說明
極光電子加速區域：
稱為離散極光的區域，具有靜電場會加速電子，這些電子是發出明亮極光的源頭。 使電子向下加速的電場主要在幾千公里的高度範圍內。 關於產生該電場的機制有許多假設，其中一種是在典型的加速範圍高度，透過混合具有不同特性的電漿而產生的電子和離子。
相關連結：2016.12.22 中央研究院天文及天文物理研究所新聞稿：中研院天文所與日本宇宙航空研究開發機構合作之 ERG科學衛星於12月20日成功發射升空
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