[論文レビュー] Spectroscopy at the solar limb: I. Average off-limb profiles and Doppler shifts of Ca II H

C. Beck, R. Rezaei|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 65被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、適応光学補正付きスリットスペクトログラフデータを用いて、太陽の縁上近接領域におけるCa ii H線の高SN比のスペクトル観測を行い、平均縁外プロファイルおよびドップラーシフトを分析した。線幅が縁から2 Mmまで増加する対称的プロファイルが観測され、5 Mmで二重ピーク構造から単一のガウス型に移行した。明るみの周囲では、逆方向の速度を持つ系のドップラーシフトが観測され、磁気フラックスチューブ内におけるヘリカル波動の運動がコロナ層の主要な力学的メカニズムである可能性を示唆している。

ABSTRACT

We present constraints on the structure of the chromosphere from observations of the Ca II H line profile near and off the solar limb. We obtained a data set of the Ca II H line in a field of view extending 20" across the limb. We analyzed the spectra for the properties of off-limb spectra. We used tracers of the Doppler shifts, such as the location of the absorption core, the ratio of the two emission peaks H2V and H2R, and intensity images at a fixed wavelength. The average off-limb profiles show a smooth variation with increasing limb distance. The line width increases up to a height of about 2 Mm above the limb. The profile shape is fairly symmetric with nearly identical H2V and H2R intensities; at a height of 5 Mm, it changes into a single Gaussian without emission peaks. We find that all off-limb spectra show large Doppler shifts that fluctuate on the smallest resolved spatial scales. The variation is more prominent in cuts parallel to the solar limb than on those perpendicular to it. As far as individual structures can be unequivocally identified at our spatial resolution, we find a specific relation between intensity enhancements and Doppler shifts: elongated brightenings are often flanked all along their extension by velocities in opposite directions. The average off-limb spectra of Ca II H present a good opportunity to test static chromospheric atmosphere models because they lack the photospheric contribution that is present in disk-center spectra. We suggest that the observed relation between intensity enhancements and Doppler shifts could be caused by waves propagating along the surfaces of flux tubes: an intrinsic twist of the flux tubes or a wave propagation inclined to the tube axis would cause a helical shape of the Doppler excursion, visible as opposite velocity at the sides of the flux tube.

研究の動機と目的

• 縁外におけるCa ii H線プロファイルを用いて、太陽コロナ層の熱力学的構造に関する観測的制約を改善すること。
• 太陽縁上での観測により、光球層の寄与を避けるために視線積分が光球層を通過しないようにすること。
• コロナ層構造における明るみの強度増加とドップラーシフトの関係を調査し、その背後にある力学的メカニズムを推定すること。
• 光球層寄与のない平均縁外スペクトルを用いて、静的コロナ層大気モデルを検証すること。
• ドップラー速度パターンを用いて、磁気フラックスチューブ内での波動モード（例：ヘリカルモード対サウサージュモード）を区別すること。

提案手法

• 2009年、ドイツの真空タワーテレスコープ（VTT）でPOLIS装置を用いて、Ca ii H線の高SN比・中分解能スリットスペクトログラフデータを取得した。
• リアルタイムの適応光学（KAOS）を適用し、大気歪みを補正した。これにより、縁に垂直なスリット方向でも高い空間分解能を達成した。
• 複数のドップラー速度トレーサー（コア深さ位置、発光ピーク比H2V/H2R、固定波長での強度画像）を用いて、平均および個々のスペクトルを分析した。
• 2010年のキャンペーンで得られた時系列データを用いて、時間的変化と特徴の同定を評価したが、漏れ光補正は完全ではなかった。
• 観測されたドップラー速度パターンを、特にヘリカルモードとサウサージュモードの区別を図るため、フラックスチューブ内波動伝播の理論モデルと比較した。
• コミュニティ利用および今後のモデルと分析手法の検証を目的として、公開済みのデータセット（41 MB）を活用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 縁から上昇する高さに応じて、平均Ca ii H線プロファイルはどのように変化するか。また、それらはコロナ層構造について何を明らかにするか？
• RQ2 縁外スペクトルで観測されたドップラーシフトの性質は何か。また、強度増強とどのように相関するか？
• RQ3 観測された速度パターンは、ねじれを有する磁気フラックスチューブに沿ったヘリカル波動伝播によって説明可能か？
• RQ4 観測されたドップラー速度パターンは、サウサージュモード振動で予測されるものとどのように異なるか？
• RQ5 平均縁外スペクトルを用いて、静的コロナ層大気モデルをどの程度まで検証できるか？

主な発見

• 平均縁外Ca ii Hプロファイルは、縁から約2 Mmまでの高さで線幅が滑らかに増加しており、熱的または乱流的運動の増大を示唆している。
• 5 Mmの高さで、線プロファイルは二重ピーク構造から単一のガウス型に移行しており、発光メカニズムまたは大気状態の変化を示唆している。
• すべての縁外スペクトルで、最小分解能スケール上での大きな変動するドップラーシフトが観測され、縁に平行な断面でより顕著な変動が確認された。
• 延長にわたる明るみの帯状構造は、常にその両側で逆極性のドップラーシフトを伴っており、横方向の速度構造を示している。
• 観測された速度パターン（明るみの両側で逆方向のシフト）は、サウサージュモード振動ではなく、ヘリカル波動モードまたはねじれフラックスチューブの振動を支持している。
• 公開済みのデータセットは、非局所熱平衡（non-LTE）モデルの検証や、Solar-Cなどの将来的な高フレームレートスペクトル観測ミッションの検証に貴重なリソースを提供する。