[論文レビュー] Solar observation with the Fourier transform spectrometer I : Preliminary results of the visible and near-infrared solar spectrum

Xianyong Bai, Zhiyong Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 29被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、可視域および近赤外域（0.45–2.2 µm）における高分解能太陽スペクトル観測に、ブルカー社のIFS-125HRフォーリエ変換分光計（FTS）を効果的に使用することを示した。観測設定およびデータ逆問題解法の妥当性が検証され、標準太陽アトラスおよびNSO FTSデータと良好な一致を示した。これにより、今後の赤外線太陽磁場測定システム（AIMS）への応用に不可欠な経験が得られた。

ABSTRACT

The Fourier transform spectrometer (FTS) is a core instrument for solar observation with high spectral resolution, especially in the infrared. The Infrared System for the Accurate Measurement of Solar Magnetic Field (AIMS), working at 10-13 $\mu m$, will use a FTS to observe the solar spectrum. The Bruker IFS-125HR, which meets the spectral resolution requirement of AIMS but just equips with a point source detector, is employed to carry out preliminary experiment for AIMS. A sun-light feeding experimental system is further developed. Several experiments are taken with them during 2018 and 2019 to observe the solar spectrum in the visible and near infrared wavelength, respectively. We also proposed an inversion method to retrieve the solar spectrum from the observed interferogram and compared it with the standard solar spectrum atlas. Although there is a wavelength limitation due to the present sun-light feeding system, the results in the wavelength band from 0.45-1.0 $\mu m$ and 1.0-2.2 $\mu m$ show a good consistence with the solar spectrum atlas, indicating the validity of our observing configuration, the data analysis method and the potential to work in longer wavelength. The work provided valuable experience for the AIMS not only for the operation of a FTS but also for the development of its scientific data processing software.

研究の動機と目的

• 太陽天文におけるフォーリエ変換分光計（FTS）の信頼性のある観測設定を確立すること、特に中国における今後の赤外線太陽観測を想定して。
• 可視域および近赤外域太陽スペクトルを用いたFTS運用のための太陽光導入システムを開発・試験すること。
• 高分解能太陽分光法における干渉縞処理およびスペクトル逆問題解法を含むデータリダクションパイプラインの妥当性を検証すること。
• 点光源検出器を備えたFTSが、特に中赤外域において太陽観測に適しているか、その可能性と限界を評価すること。
• 今後のAIMSミッションに不可欠な基盤的経験と手法の妥当性を提供すること。AIMSミッションでは、12.32 µmで高精度な太陽磁場測定を実施する。

提案手法

• 最大光路差（OPD）258 cmのブルカー社IFS-125HR FTSを用い、時間変調モードで運用した。
• 太陽望遠鏡と光学ファイバーを用いた一時的な太陽光導入システムを開発し、FTS検出器に太陽光を供給した。
• 点検出器を用いて0.45–2.2 µm範囲の干渉縞を取得し、非対称データを補正するためのゼロフィルティングにより干渉縞の対称性を回復した。
• トライアングル型アポダイゼーション関数を適用し、フーリエ変換におけるサイドローブのリングを抑制することで、スペクトルの忠実度を向上させた。
• アポダイズド干渉縞に対して逆コサイン変換を実行し、レーザー基準を用いてOPD補正を実施することで太陽スペクトルを回復した。
• 干渉縞の位相誤差を補正するため、干渉計の既知のOPDに基づく位相補正を実施し、式9を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽光導入システムを用いることで、点検出器を備えたFTSシステムが可視域および近赤外域における太陽スペクトル観測に効果的に適用可能であるか？
• RQ2 アポダイゼーション関数の選択（例：三角関数）が、回復された太陽スペクトルの分解能および忠実度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 FTSデータの信号対雑音比（SNR）は、既存の太陽スペクトルと比較してどの程度の水準にあり、その限界要因は何か？
• RQ4 干渉縞からの正確な太陽スペクトル回復に最適なδOPD、最大OPD、および位相補正手法の組み合わせは何か？
• RQ5 現在のFTS設定を、将来的なAIMS運用に向けた長波長領域（例：10–13 µm）に拡張可能か？その際の課題は何か？

主な発見

• FTSは0.45 µmから2.2 µmまでの広帯域太陽スペクトルを正常に回復した。これにより、観測セットアップの有効性が裏付けられた。
• 回復されたスペクトルは、標準太陽アトラスおよびNSO FTSデータと良好に一致しており、特にFe I 1.56 µmおよびHβ 486.1 nmの吸収線の深さと幅において顕著な一致を示した。
• 三角関数アポダイゼーションの適用により、サイドローブのリングが効果的に抑制され、スペクトル分解能が向上し、アーチファクトが低減した。
• 観測スペクトルの信号対雑音比（SNR）は、NSO FTSに比べて低かった。主な要因は、光学ファイバー系による光子収率の低さに起因する。
• 解析で使用された最大OPDは10 cmにとどまり、装置の最大能力258 cmに比べて著しく低い水準であった。これは、長波長観測におけるデータ取得の改善余地があることを示している。
• 本研究では、中赤外域太陽分光法における主な課題を同定した。具体的には大気吸収、装置のバックグラウンド放射、およびより洗練されたキャリブレーション手法の必要性が明らかになった。これに応じ、60 cmの主鏡を備えた全反射型のアップグレード版システムの開発が促進された。