[論文レビュー] Zeeman-Tomography of the Solar Photosphere -- 3-Dimensional Surface Structures Retrieved from Hinode Observations

T. A. Carroll, M. Kopf|ArXiv.org|Mar 7, 2008

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 18被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、太陽光球層の Hinode 分光偏光観測から3次元トモグラフィー再構成を可能にする、新しい人工ニューラルネットワーク（ANN）ベースの逆問題手法を提示する。高解像度の磁気対流MHDシミュレーションを活用することで、絶対的高さスケール上での深さにわたる温度、ライン・オブ・ sight（視線）速度、磁場構造を回復可能となり、平均磁場強度20 Gの静穏太陽領域において、高さとともに急速に弱まるチューブ状の磁場構造が明らかになった。

ABSTRACT

AIMS :The thermodynamic and magnetic field structure of the solar photosphere is analyzed by means of a novel 3-dimensional spectropolarimetric inversion and reconstruction technique. METHODS : On the basis of high-resolution, mixed-polarity magnetoconvection simulations, we used an artificial neural network (ANN) model to approximate the nonlinear inverse mapping between synthesized Stokes spectra and the underlying stratification of atmospheric parameters like temperature, line-of-sight (LOS) velocity and LOS magnetic field. This approach not only allows us to incorporate more reliable physics into the inversion process, it also enables the inversion on an absolute geometrical height scale, which allows the subsequent combination of individual line-of-sight stratifications to obtain a complete 3-dimensional reconstruction (tomography) of the observed area. RESULTS : The magnetoconvection simulation data, as well as the ANN inversion, have been properly processed to be applicable to spectropolarimetric observations from the Hinode satellite. For the first time, we show 3-dimensional tomographic reconstructions (temperature, LOS velocity, and LOS magnetic field) of a quiet sun region observed by Hinode. The reconstructed area covers a field of approximately 12000 by 12000 km and a height range of 510 km in the photosphere. An enormous variety of small and large scale structures can be identified in the 3-D reconstructions. The low-flux region (B_{mag} = 20G) we analyzed exhibits a number of "tube-like" magnetic structures with field strengths of several hundred Gauss. Most of these structures rapidly loose their strength with height and only a few larger structures can retain a higher field strength to the upper layers of the photosphere.

研究の動機と目的

• 1次元ストークス逆問題の限界を克服し、太陽光球層の磁場および熱力学的構造の3次元再構成を可能にすること。
• 低フラックス（内部ネットワーク）領域における弱く混合極性の偏光信号の課題に対処するため、現実的なMHDシミュレーションを逆問題プロセスに組み込むこと。
• 物理的根拠に基づいた逆問題手法を開発し、絶対的高さスケール上で動作させることで、光球層の真の3次元トモグラフィーを可能にすること。
• 従来の1次元逆問題よりも信頼性が高く物理的に一貫した診断ツールを、太陽光球層の磁場構造に提供すること。
• データ駆動型で、シミュレーションを活用したANNアプローチを用いて、実際の Hinode 観測から3次元再構成の可能性を示すこと。

提案手法

• 非灰色で混合極性の高解像度MHDシミュレーション（Vögler et al. 2005）を、人工ニューラルネットワーク（ANN）のトレーニングデータセットとして用い、ストークスプロファイルと大気パラメータの非線形逆写像をモデル化する。
• MHDスナップショットを用いて、太陽円盤中心におけるFe I 6301.5 Åおよび6302.5 ÅのストークスI, Q, U, Vプロファイルを合成し、現実的な分光偏光観測を模擬する。
• Hinode/SOT-SPの観測特性（0.16″ピクセルスケール、30 mÅ FWHM分解能）に合わせて、合成プロファイルに機器劣化（MTF、ピクセル再結合、スペクトル畳み込み）を適用する。
• ANNをトレーニングし、合成ストークスプロファイルを、絶対的高さグリッド上での深さにわたる温度、視線速度、視線磁場のマップに逆問題化する。
• 視野全体にわたる個々の視線方向の深さ分布を統合し、大気パラメータの3次元ボリュームを再構成することで、トモグラフィックイメージングを可能にする。
• 低フラックスMHDスナップショット（⟨B⟩ = 22 G）を用いて手法を検証し、静穏太陽領域の実際の Hinode 観測に適用することで、光球層構造の初の3次元再構成を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的なMHDシミュレーションでトレーニングされた人工ニューラルネットワークが、Hinode分光偏光データから太陽光球層の3次元再構成を可能にするか？
• RQ2 静穏太陽光球層における磁場構造は、高さに応じて強度と形状がどのように変化し、空間的分布はどのような特徴を示すか？
• RQ3 低フラックス領域における磁場フラックス構造は、上部光球層までどれほど強度を保ち続けるのか？ また、その磁場強度の垂直方向の進化はいかなるものか？
• RQ4 ANN逆問題手法が、絶対的高さスケール上で物理的に一貫した深さ分解能を持つ大気パラメータ（T, vLOS, BLOS）を回復可能であり、従来の1次元逆問題を上回るか？
• RQ5 特に高さ依存の変化に注目した場合、磁場強度の統計的挙動（平均値および分散の変化）はどのようなものか？

主な発見

• Hinode観測から得た初の3次元トモグラフィー再構成が達成された。対象領域は12,000 × 12,000 kmの視野範囲と510 kmの高さ範囲をカバーした。
• 再構成結果は、平均磁場強度20 Gの低フラックス領域に、複雑なチューブ状の磁場構造のネットワークを明らかにした。表面での最大磁場強度は763 Gに達した。
• 大多数の磁場構造は高さとともに急激に磁場強度を低下させ、上部光球層までその強度を保つのはごく少数の大きな構造に限られる。
• 無符号磁場フラックス密度の平均値は、下層（τ₆₅₀₀ ≈ 0.6）で15.88 Gから上層（τ₆₅₀₀ ≈ -4.0）で4.24 Gに低下し、多くの磁場フラックスが密な構造として上部光球層に到達しないことを示している。
• 175 Gの等高さ面では、垂直および水平方向の勾配が強く、上層大気へ向かって収束する傾向を示し、磁場線の収束とフラックスチューブの進化を示している。
• ANN逆問題は、絶対的高さスケール上での深さにわたる大気パラメータを物理的に一貫して回復でき、実観測からの物理的に妥当な3次元再構成を可能にした。