[論文レビュー] Exploring the Physics of the Corona with Total Solar Eclipse Observations

S. R. Habbal, J. F. Cooper+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、2017年日食期における地上観測の連携を提唱し、可視光および近赤外線コロナ線を用いて太陽コロナの熱力学的および磁気的性質を3太陽半径まで探査することを目的としている。高感度の画像撮影、分光測定、偏光測定を活用することで、局所的なイオン密度の増加や衝突支配から衝突支配でないプラズマへの遷移が明らかになり、コロナ加熱および太陽風加速機構について、前例のない洞察が得られた。

ABSTRACT

This white paper is a call for a concerted effort to support total solar eclipse observations over the next decade, in particular for the 21 August 2017 eclipse which will traverse the US continent. With the recent advances in image processing techniques and detector technology, the time is ripe to capitalize on the unique diagnostic tools available in the visible and near infrared wavelength range to explore the physics of the corona. The advantage of coronal emission lines in this wavelength range, over their extreme ultraviolet counterparts, is (1) the significant radiative component in their excitation process (in addition to the collisional excitation), which allows for observations out to a few solar radii, (2) the higher spectral selectivity available for imaging, giving well-defined temperature responses for each bandpass (one line as opposed to many), and (3) the capability of polarization measurements in a number of spectral lines. Consequently, the evolution of the thermodynamic and magnetic properties of the coronal plasma can be explored starting from the solar surface out to a few solar radii, namely the most important region of the corona where the expansion of the solar magnetic field and the acceleration of the solar wind occur. Since the planning of eclipse observations will not be possible without the invaluable NASA-published total solar eclipse bulletins by Espenak and Andersen, a call is also made to ensure continued support for these efforts.

研究の動機と目的

• EUV宇宙望遠鏡の限界を超えて、可視光および近赤外線帯域の皆既日食観測を活用し、太陽コロナの物理的性質を解明すること。
• コロナ発光線における放射励起の役割と、2太陽半径を超えて広がる発光への影響を調査すること。
• 多波長日食画像を用いて、電子温度および鉄イオンの酸化状態の二次元分布をマッピングすること。
• コロナ線の半径方向強度プロファイルを用いて、衝突支配から衝突支配でないプラズマ状態への遷移を特定すること。
• 特に2017年8月21日日食を対象とした、地上観測の科学的成果を最大化するための連携キャンペーンの推進

提案手法

• 複数回の日食における高ダイナミックレンジでNRGF処理を施した画像を用い、半径方向の強度減衰を抑制し、微弱なコロナ構造を明らかにする。
• 特定のコロナ発光線（例：Fe XI 789.2 nm、Fe XIV 530.3 nm）の狭帯域画像撮影を適用し、温度および密度に敏感な診断法を分離する。
• 発光線とその周辺連続分光の強度比を測定し、衝突による励起から共鳴散乱への遷移を検出することで、衝突支配でないプラズマの始まりを示す。
• 分光測定法を用いて、高いスペクトル選別能で個々のコロナ線を解像し、正確な温度および密度診断を可能にする。
• 一部のスペクトル線における偏光測定を実施し、コロナ磁場の方向および強度を推定する。
• 将来のキャンペーンの最適な計画と調整を保証するため、歴史的なナサ日食ブルーレットと観測データを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe XI 789.2 nm発光の半径方向拡がりはどの程度か？ これは、コロナ内で放射励起が支配的であるかどうかを示唆するか？
• RQ2 異なるコロナ発光線において、衝突支配から衝突支配でないプラズマ状態への遷移はどこに起こり、磁気構造によってどのように変化するか？
• RQ3 コロナ線における局所的強度増強は、内側コロナにおける下部磁場構造および密度構造とどのように相関するか？
• RQ4 多波長日食観測から得られたデータを用いて、電子温度および鉄イオン酸化状態の二次元分布はどのように特定されるか？
• RQ5 可視光および近赤外線スペクトル線における偏光測定は、どのようにコロナ磁場計測を可能とし、開放的・閉鎖的磁場線のマッピングを実現するか？

主な発見

• Fe XI 789.2 nm発光は、少なくとも3太陽半径まで拡がっており、これは、リム上空0.2太陽半径を超えて放射励起が支配的であることを示唆している。
• Fe XIの局所的強度増強は1.2〜1.5太陽半径の間で観測され、電子に対するFe+10イオン密度の局所的増加を示している。
• 衝突支配から衝突支配でないプラズマ状態への遷移は1.1〜2.0太陽半径の間で起こり、遷移半径（Rt）は発光線および磁気構造によって変動する。
• 日食観測を用いた、コロナ電子温度および鉄イオン酸化状態の最初の二次元マップが作成され、温度範囲は0.8〜1.2百万Kであった。
• 特定のスペクトル線における偏光測定は、現在のところコロナ磁場の方向および強度を推定する唯一の方法であり、開放的および閉鎖的磁場構造のマッピングを可能にした。
• 2017年8月21日に米国を通過した皆既日食は、コロナのダイナミクスおよび進化を高フレームレート・多波長で観測するための、貴重な1時間以上の観測窓を提供した。