[論文レビュー] Inferring the magnetic field vector in the quiet Sun. I. Photon noise and Selection Criteria

J. M. Borrero, Philippe Kobel|Max Planck Institute for Plasma Physics|Nov 19, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 40被引用数 33

ひとこと要約

本研究では、Hinode/SP分光偏光データにおける光子ノイズが、静穏ソーラーの水平磁場を模倣する可能性があり、主に垂直方向で弱い磁場（B < 20 G）が、強度がやや高い水平磁場（B ≈ 100 G）として誤解釈される原因となることを示している。著者らは、現在のノイズレベルでは真の磁場ベクトルの正確な推定が不可能であり、2.8×10⁻⁴未満のノイズレベルでなければ信頼できる磁場ベクトルの決定が可能になることを示している。このノイズレベルは現在、内部ネットワーク領域の30%にしか適用されていない。

ABSTRACT

In the past, spectropolarimetric data from Hinode/SP has been employed to infer the distribution of the magnetic field vector in the quiet Sun. While some authors have found predominantly horizontal magnetic fields, others favor an isotropic distribution. In this paper, we investigate whether it is actually possible to accurately retrieve the magnetic field vector in regions with very low polarization signals (e.g: internetwork), employing the \ion{Fe}{I} line pair at 6300 Å. We first perform inversions of the Stokes vector observed with Hinode/SP in the quiet Sun at disk center in order to confirm the distributions retrieved by other authors. We then carry out several Monte-Carlo simulations with synthetic data where we show that the observed distribution of the magnetic field vector can be explained in terms of purely vertical ($γ=0°$) and weak fields ($\bar{B}&lt;20$ G), that are misinterpreted by the analysis technique (Stokes inversion code) as being horizontal ($γ\approx 90°$) and stronger ($\bar{B} \approx 100$ G), due to the effect of the photon noise. This casts doubts as to whether previous results, presenting the distributions for the magnetic field vector peaking at $γ=90°$ and $\bar{B}=100$ G, are actually correct. We propose that an accurate determination of the magnetic field vector can be achieved by decreasing the photon noise to a point where most of the observed profiles posses Stokes $Q$ or $U$ profiles that are above the noise level. Unfortunately, for noise levels as low as $2.8 imes 10^{-4}$ only 30% of the observed region with Hinode/SP have strong enough $Q$ or $U$ signals, implying that the magnetic field vector remains unknown in the rest of the internetwork.

研究の動機と目的

• Hinode/SP分光偏光データにおける光子ノイズが、静穏ソーラーにおける磁場ベクトルの推定に系統的な誤解釈をもたらすかどうかを調査すること。
• 観測されたストークスプロファイルに基づいて、磁場の傾きが90°（水平磁場）にピークを示すと主張した先行研究の信頼性を評価すること。
• 合成データとモンテカルロシミュレーションを用いて、真の磁場ベクトルを正確に回復するためのノイズ閾値を特定すること。
• 異なる選択基準が、磁場の傾きおよび強度の推定分布に与える影響を評価すること。
• 偏光信号対ノイズ比が不十分なために、磁場ベクトルの推定が不可能な内部ネットワーク領域の割合を定量すること。

提案手法

• ディスク中心でのHinode/SP観測データに対してストークス反転を実施し、以前に報告された磁場分布の妥当性を検証した。
• 真に垂直方向の磁場（γ = 0°）を仮定した合成ストークスプロファイルを用いて、異なる光子ノイズレベルでのモンテカルロシミュレーションを実施した。
• 実データと同一の反転コードを合成プロファイルに適用し、ノイズが人工的な水平磁場の特徴を引き起こすかどうかを評価した。
• 異なる信号対ノイズ比（SNR）の閾値が、回復された磁場の傾きおよび強度分布に与える影響を評価した。
• ノイズレベルが異なる3つのデータセット（σ_s = 10⁻³, 7.5×10⁻⁴, 2.8×10⁻⁴）の結果を比較し、ノイズの影響を明確にした。
• ストークスQおよびUプロファイルにおけるSNR ≥ 4.5を満たす基準を提案し、磁場ベクトル推定におけるノイズ由来バイアスを最小限に抑えることを目的とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子ノイズのみが、90°付近に人工的な磁場傾き分布のピークを生じさせ、水平磁場を模倣する可能性があるか？
• RQ2 現在の偏光プロファイルにおけるSNRに基づく選択基準が、推定された磁場ベクトル分布にどの程度バイアスをもたらすか？
• RQ3 静穏ソーラーの内部ネットワーク領域で、真の磁場ベクトルを信頼性高く回復するための最小ノイズレベルは何か？
• RQ4 QおよびUの信号対ノイズ比が低いために、磁場ベクトル推定が不可能な内部ネットワーク領域の割合はどの程度か？
• RQ5 ノイズを適切に考慮した場合、静穏ソーラーにおける磁場分布は、純粋に垂直で弱い磁場によって説明可能か？

主な発見

• 現在のHinode/SPのノイズレベル（σ_s ≈ 10⁻³）では、真の磁場が完全に垂直で弱い（B < 20 G）場合でも、磁場傾き分布に90°付近に人工的なピークが生じる。
• モンテカルロシミュレーションの結果、2.8×10⁻⁴という低いノイズレベルですら、依然として人工的な水平磁場の特徴を示すことが判明し、極めて低いノイズレベルでもノイズによる汚染が継続していることが示された。
• ストークスQおよびUプロファイルにおけるSNR ≥ 4.5を満たす選択基準を採用することで、汚染度は70–95%にまで低下するが、そのような信号を有する領域は観測領域全体の30%にとどまる。
• 先行研究で観測されたγ ≈ 90°およびB ≈ 100 Gのピークは、物理的分布ではなく、光子ノイズに起因するアーチファクトである可能性が高い。
• 真の磁場ベクトルを信頼性高く回復できるのは、2.8×10⁻⁴未満のノイズレベルでのみ可能であるが、このようなノイズレベルは現在、内部ネットワークの大部分で達成不可能である。
• ノイズと信号対ノイズ比の閾値処理の両方の影響により、静穏ソーラーの内部ネットワークにおける磁場傾きの真の分布は未だ不明のままである。