[論文レビュー] Millimeter radiation from a 3D model of the solar atmosphere II. Chromospheric magnetic field

M. Loukitcheva, S. M. White+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 41被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、3次元非局所熱力学平衡（non-LTE）放射磁流力学シミュレーションからのミリ波/サブミリ波自由自由放射を用いて、縦磁場の診断可能性を検証する。ALMAに類似した観測が、高さ平均化放射による約10%の系式的低減を伴っても、磁場を回復可能であることが示され、高分解能マグネトグラムの可能性が裏付けられるが、機器の精度要件が課される。

ABSTRACT

We use state-of-the-art, three-dimensional non-local thermodynamic equilibrium (non-LTE) radiative magnetohydrodynamic simulations of the quiet solar atmosphere to carry out detailed tests of chromospheric magnetic field diagnostics from free-free radiation at millimeter and submillimeter wavelengths (mm/submm). The vertical component of the magnetic field was deduced from the mm/submm brightness spectra and the degree of circular polarization synthesized at millimeter frequencies. We used the frequency bands observed by the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) as a convenient reference. The magnetic field maps obtained describe the longitudinal magnetic field at the effective formation heights of the relevant wavelengths in the solar chromosphere. The comparison of the deduced and model chromospheric magnetic fields at the spatial resolution of both the model and current observations demonstrates a good correlation, but has a tendency to underestimate the model field. The systematic discrepancy of about 10 percent is probably due to averaging of the restored field over the heights contributing to the radiation, weighted by the strength of the contribution. On the whole, the method of probing the longitudinal component of the magnetic field with free-free emission at mm/submm wavelengths is found to be applicable to measurements of the weak quiet-Sun magnetic fields. However, successful exploitation of this technique requires very accurate measurements of the polarization properties (primary beam and receiver polarization response) of the antennas, which will be the principal factor that determines the level to which chromospheric magnetic fields can be measured. Consequently, high-resolution and high-precision observations of circularly polarized radiation at millimeter wavelengths can be a powerful tool for producing chromospheric longitudinal magnetograms.

研究の動機と目的

• 静穏層域および活動領域における、ミリ波/サブミリ波自由自由放射を用いた縦磁気圏コロナ磁場の診断可能性を評価すること。
• 最新の3次元非局所熱力学平衡（non-LTE）シミュレーションを用いて、ミリ波/サブミリ波帯域における円偏光測定値から磁場を回復する精度を評価すること。
• 形成高さ範囲の高さ平均化放射寄与と機器的要因に起因する磁場再構築における系統的バイアスを定量化すること。
• 高分解能・高精度の偏光観測（例：ALMAを用いたもの）がコロナ磁場測定に実用可能かどうかを検討すること。
• 機器の偏光特性が、ミリ波/サブミリ波観測による磁場再構築の正確性に与える影響を調査すること。

提案手法

• 太陽大気のコロナプラズマおよび磁場をモデル化するため、3次元非局所熱力学平衡（non-LTE）放射磁流力学シミュレーションを用いた。
• ALMAの周波数バンドを基準として、ミリ波およびサブミリ波帯域における輝度スペクトルおよび円偏光を合成した。
• シミュレートされたミリ波/サブミリ波放射における円偏光度から、縦磁場成分を抽出した。
• 放射の有効形成高さにおける真のモデル磁場と照合した。
• 放射寄与関数の強度で重み付けすることで、発光の高さ平均化寄与を考慮した。
• 機器によるスメアリングおよび偏光応答（ビームおよびリーク項を含む）が磁場再構築精度に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ波およびサブミリ波帯域における自由自由放射は、コロナ磁場の縦成分を信頼性高く診断できるか？
• RQ2 3次元非局所熱力学平衡（non-LTE）シミュレーションにおいて、再構築された磁場と真の磁場値との間の系統的バイアスは何か？
• RQ3 発光形成における高さ平均化効果が、磁場測定の正確性にどのように影響するか？
• RQ4 機器の偏光特性が、ミリ波/サブミリ波観測によるコロナ磁場マップの精度をどの程度制限するか？
• RQ5 この手法は、弱い静穏層域およびより強い活動領域磁場をマッピングするのに十分な分解能と正確性を達成できるか？

主な発見

• 本手法は、ミリ波/サブミリ波自由自由放射から縦コロナ磁場を成功裏に回復でき、真のモデル磁場と良好な相関関係を示した。
• 形成高さ範囲の平均化に起因し、発光寄与関数による重み付けを経て、再構築磁場は約10%系統的に低減された。
• 有効形成高さにおいて、絶対値が0.01%を超える円偏光が観測された領域では、再構築磁場の相対誤差は一般的に10%未満であった。
• Severinoら（1994）のウムブラモデルでは、9 mmで5%、3 mmで1%の円偏光を予測するが、Fontenlaら（2011）のモデルではそれぞれ6%および3%を予測する。
• 本手法は機器によるスメアリングに対して頑健であり、極端な値を平滑化するが、全体的な磁場回復精度に顕著な悪影響を及ぼさない。
• アンテナ偏光応答および主ビーム特性の高精度測定が、正確なコロナ磁場測定の主な制限要因であると特定された。