[논문 리뷰] High precision density measurements in the solar corona: I. Analysis methods and results for Fe XII and Fe XIII

Peter R. Young, Takayuki Watanabe외 2명|ArXiv.org|2008. 05. 07.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 45인용 수 99

한 줄 요약

이 논문은 히노데/EIS 기구로 관측한 Fe XII 및 Fe XIII의 EUV 선비율을 이용하여 태양 코로나에서 고정밀 전자 밀도 측정을 수행하며, 픽셀당 최대 ±5%의 정밀도를 달성한다. 높은 측정 정밀도에도 불구하고 원자 모델의 심각한 부정확성으로 인해 진단 방법 간에 상당한 이질성(최대 0.5 dex)이 나타나며, 특히 Fe XII λ196.64와 Fe XIII λ203.82의 경우가 그러하다. 기구적 요인인 격자 기울기 등도 기여한다.

ABSTRACT

The EUV Imaging Spectrometer (EIS) instrument on board the Hinode satellite has access to some of the best coronal density diagnostics and the high sensitivity of the instrument now allows electron number density, N_e, measurements to an unprecedented precision of up to +/-5 % in active regions. This paper gives a thorough overview of data analysis issues for the best diagnostics of Fe XII and Fe XIII and assesses the accuracy of the measurements. Two density diagnostics each from Fe XII (186.88/195.12 and 196.64/195.12) and Fe XIII (196.54/202.04 and 203.82/202.04) are analysed in two active region data-sets from 2007 May 3 and 6 that yield densities in the range 8.5 < log N_e < 11.0. The densities are derived using v5.2 of the CHIANTI atomic database. The Fe XII and Fe XIII diagnostics show broadly the same trend in density across the active region, consistent with their similar temperatures of formation. However the high precision of the EIS measurements demonstrates significant discrepancies of up to 0.5 dex in derived log N_e values, with Fe XII always giving higher densities than Fe XIII. The discrepancies may partly be due to real physical differences between the emitting regions of the two plasmas, but the dominant factor lies in the atomic models of the two ions. Two specific problems are identified for Fe XII 196.64 and Fe XIII 203.82: the former is found to be under-estimated in strength by the CHIANTI atomic model, while the high density limit of the 203.82/202.04 is suggested to be inaccurate in the CHIANTI atomic model. The small grating tilt of the EIS instrument is found to be very significant when deriving densities from emission lines separated by more than a few angstroms.

연구 동기 및 목표

• 히노데/EIS 데이터를 이용하여 태양 코로나에서 전자 밀도 측정의 사상 최고 수준의 정밀도를 달성하기 위해.
• 활성 지역에서 Fe XII 및 Fe XIII 복사선 밀도 진단의 정확성과 신뢰성을 평가하기 위해.
• 밀도 측정에 영향을 미치는 원자 모델 및 기구 캘리브레이션의 체계적 오차를 규명하고 정량화하기 위해.
• 진단 간의 이질성이 물리적 플라즈마 비균일성 때문인지, 원자 모델의 부정확성 때문인지 파악하기 위해.
• 향후 분석 향상을 위해 수정된 선 파장과 보정된 기구적 영향을 제공하기 위해.

제안 방법

• 노출 시간 ≥30초인 두 개의 활성 지역 관측(2007년 5월 3일 및 6일)에서 히노데/EIS의 고해상도·고감도 EUV 스펙트럼을 활용하였다.
• 네 가지 밀도 진단법을 적용: Fe XII λ186.88/λ195.12, Fe XII λ196.64/λ195.12, Fe XIII λ196.54/λ202.04, Fe XIII λ203.82/λ202.04.
• 선 강도 및 전이 확률 계산에 CHIANTI 원자 데이터베이스 v5.2를 사용하였다.
• 혼합선 처리에 주의를 기울인 자동선 피팅을 구현하였으며, Fe VIII, S XI 및 기구적 영향까지 포함하였다.
• EIS 격자 기울기 −0.0792 Å/pixel를 보정하였으며, 이는 선 간격 측정에 상당한 영향을 미친다.
• 스펙트럼 피팅 기반으로 보정된 고정 파장을 제안: Fe XIII λ196.54는 196.518±0.003 Å, Fe XII λ196.64는 196.647±0.003 Å.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 히노데/EIS를 사용할 때 개별 공간 픽셀에서 전자 밀도를 5% 이내의 정밀도로 측정할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ2 높은 측정 정밀도에도 불구하고, 서로 다른 Fe XII 및 Fe XIII 밀도 진단법이 체계적으로 다른 결과를 낼 이유는 무엇인가?
• RQ3 격자 기울기 및 선 혼합과 같은 기구적 요인이 유도된 전자 밀도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 Fe XII 및 Fe XIII 진단 간의 이질성이 실제 플라즈마 비균일성 때문인지, 원자 모델의 부정확성 때문인지 여부는 무엇인가?
• RQ5 스펙트럼 피팅 기반으로 보정된 Fe XIII λ196.54 및 Fe XII λ196.64의 고정 파장은 무엇인가?

주요 결과

• 히노데/EIS로부터의 전자 밀도 측정은 개별 공간 픽셀에서 ±5%의 정밀도를 달성하였으며, 이는 이전 기구들에 비해 중대한 향상이다.
• Fe XII λ196.64/λ195.12 비율은 Fe XII λ186.88/λ195.12 비율보다 최대 0.4 dex 높은 밀도를 지속적으로 나타내며, 원자 또는 기구적 문제를 시사한다.
• Fe XIII λ203.82/λ202.04 비율은 log Ne = 10.0 이하 밀도에서는 λ196.54/λ202.04와 양호한 일치를 보이나, 고밀도 영역에서는 과대평가되며, 이는 CHIANTI 모델의 고밀도 한계가 부정확하기 때문일 가능성이 높다.
• 대부분의 활성 지역에서 Fe XII 밀도는 Fe XIII 밀도보다 최대 0.5 dex 높게 나타나며, 특히 고밀도 영역에서 두드러지므로 원자 모델의 부정확성이 시사된다.
• EIS 격자 기울기 −0.0792 Å/pixel는 선 간격이 몇 Å 이상 떨어져 있을 경우 밀도 측정에 상당한 영향을 미치며 반드시 보정되어야 한다.
• 보정된 고정 파장을 제안: Fe XIII λ196.54는 196.518±0.003 Å, Fe XII λ196.64는 196.647±0.003 Å이며, 이는 스펙트럼 피팅 및 캘리브레이션 기반이다.