[論文レビュー] Toward Next Generation Solar Coronagraph: Diagnostic Coronagraph Experiment

Kyung‐Suk Cho, Heesu Yang+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、低高度太陽コロナにおける電子温度および速度を、3934 Åおよび4305 Åでの狭帯域画像法を用いて測定することを目的とした地上型太陽コロナグラフ「診断コロナグラフ（DICE）」の開発と検証を報告する。コロナにおけるフリードホルダー線の熱的幅およびドップラーエネルギーの分析により、DICEは東側の縁部における温度マップを成功裏に得た。その結果、ストリーマー部では高温、コロナホール境界部では低温が確認されたが、プロミネンスからの散乱が西側縁部のデータを汚染した。

ABSTRACT

Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) has been developing a next-generation coronagraph (NGC) in cooperation with NASA to measure the coronal electron density, temperature, and speed simultaneously using four different filters around 400 nm. KASI organized an expedition team to demonstrate the coronagraph measurement scheme and the instrumental technology through the 2017 total solar eclipse (TSE) across the USA. The observation site was in Jackson Hole, Wyoming, USA. We built an eclipse observation system, so-called Diagnostic Coronal Experiment (DICE), which is composed of two identical telescopes to improve a signal to noise ratio. The observation was conducted with 4 wavelengths and 3 linear polarization directions according to the planned schedule in a limited total eclipse time of about 140 seconds. Polarization information of corona from the data was successfully obtained but we were not able to obtain global information of coronal electron temperature and speed in the corona due to a low signal-to-noise ratio of the optical system and a strong emission from the prominence located in the western limb. In this study, we report the development of DICE and observation results from the eclipse expedition. TSE observation and analysis by using our own developed instrument gave an important lesson that a coronagraph should be carefully designed to achieve the scientific purpose of this study. And it was a very useful experience in the way for the success of follow-up NASA-KASI joint missions called the Balloon-borne Investigation of the Temperature and Speed of Electrons in the Corona (BITSE) and COronal Diagnostic EXperiment (CODEX).

研究の動機と目的

• 低高度太陽コロナにおける電子温度および速度を測定することを目的とした地上型診断コロナグラフシステムの開発。
• 全日食を試験台として、次世代コロナグラフの光学系、フィルタ、制御システムの検証。
• フリードホルダー線の狭帯域画像法を用いてコロナプラズマの温度および径方向速度を導出する可能性の評価。
• 将来的な宇宙機ミッション（例：CODEX）に向けた、系統的誤差および技術的課題の同定。

提案手法

• 50 mm径のレンズ、バンドパスフィルタ、偏光子、CCD検出器を備えたコンactな光学系の設計および統合。
• 日食中における太陽の位置追尾を実現するコンピュータ制御モーター駆動トラッキングシステムの実装。
• 時間的に制限のある状況下でも信頼性を発揮するため、埋め込み制御ソフトウェアにコアフライトシステム（cFS）を採用。
• 3934 Å（熱的幅に感受性）および4305 Å（ドップラーエネルギーに感受性）の2波長帯における強度比を用いた温度および速度診断の適用。
• 制御された条件下で、システムの分解能（RMSスポット径 <14.8 μm）および強度精度（<±1%）を検証するためのラボテストの実施。
• 信号対雑音比の向上および温度不確実性の推定のため、画像合成およびモンテカルロシミュレーションの実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3934 Åおよび4305 Åでのフリードホルダー線の狭帯域画像法は、低コロナ部における電子温度および径方向速度を正確に抽出できるか？
• RQ2 プロミネンスからの余計光およびレンズフレアは、コロナ画像における温度測定の正確性にどのように影響するか？
• RQ3 ストリーマーの幾何的非対称性（前面 vs. 後面）は、対称モデルと比較して温度比測定にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 標準的な公差解析でカバーされていない、温度抽出における主な系統的誤差は何か？
• RQ5 cFSソフトウェアフレームワークは、ポータブル太陽コロナグラフシステムのリアルタイム制御にどの程度効果的か？

主な発見

• DICE装置は、ストリーマー部で高温、極域コロナホール境界部で低温が確認された東縁部における温度分布マップを成功裏に生成した。
• DICEデータからの温度推定値は、特に東縁部において既知のコロナ的傾向と整合性を示した。
• 西縁部では、プロミネンスによる散乱およびレンズフレアが顕著に影響し、その結果、信頼性の低い温度測定が生じた。
• 観測された比の変動は、モンテカルロシミュレーションで想定された不確実性を上回っており、余計光、回折パターン、フラットフィールディングの問題など、予期しない系統的誤差が存在する可能性を示唆した。
• 日食中に1台のカメラが故障したため、データ収集が制限された。これは、安定した電力分配および事前段階のシステムレベルの試験の重要性を浮き彫りにした。
• cFSを用いた埋め込み制御は、実効的かつ信頼性があり、今後の高高度バルーンおよび宇宙ミッションへの同様のシステムの展開を支援するものであった。