[논문 리뷰] Millimeter radiation from a 3D model of the solar atmosphere II. Chromospheric magnetic field

M. Loukitcheva, S. M. White외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 20.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 41인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 3차원 비국소열역학평형(비- LTE) 복사자기유체역학 시뮬레이션에서 유도된 밀리미터/서브밀리미터 자유자기 복사에 의존하여 종방향 코로나 자기장의 진단 가능성을 시험한다. ALMA 유사 관측이 높이 평균화된 복사로 인해 약 10%의 체계적 과소평가를 겪더라도, 고해상도 자기도의 가능성을 확인함으로써, 장비 정밀도 요구 조건에도 불구하고 이 방법이 고해상도 자기도 제작에 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

We use state-of-the-art, three-dimensional non-local thermodynamic equilibrium (non-LTE) radiative magnetohydrodynamic simulations of the quiet solar atmosphere to carry out detailed tests of chromospheric magnetic field diagnostics from free-free radiation at millimeter and submillimeter wavelengths (mm/submm). The vertical component of the magnetic field was deduced from the mm/submm brightness spectra and the degree of circular polarization synthesized at millimeter frequencies. We used the frequency bands observed by the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) as a convenient reference. The magnetic field maps obtained describe the longitudinal magnetic field at the effective formation heights of the relevant wavelengths in the solar chromosphere. The comparison of the deduced and model chromospheric magnetic fields at the spatial resolution of both the model and current observations demonstrates a good correlation, but has a tendency to underestimate the model field. The systematic discrepancy of about 10 percent is probably due to averaging of the restored field over the heights contributing to the radiation, weighted by the strength of the contribution. On the whole, the method of probing the longitudinal component of the magnetic field with free-free emission at mm/submm wavelengths is found to be applicable to measurements of the weak quiet-Sun magnetic fields. However, successful exploitation of this technique requires very accurate measurements of the polarization properties (primary beam and receiver polarization response) of the antennas, which will be the principal factor that determines the level to which chromospheric magnetic fields can be measured. Consequently, high-resolution and high-precision observations of circularly polarized radiation at millimeter wavelengths can be a powerful tool for producing chromospheric longitudinal magnetograms.

연구 동기 및 목표

• 조용한 태양과 활성 지역에서 밀리미터/서브밀리미터 자유자기 복사의 종방향 코로나 자기장 진단 가능성을 평가하기 위해.
• 최신 3차원 비- LTE 시뮬레이션을 사용하여 밀리미터/서브밀리미터 파장에서의 원형 편광 측정을 통한 자기장 복원 정확도를 평가하기 위해.
• 높이 평균화된 복사 기여로 인한 자기장 복원 시 체계적 편향을 정량화하기 위해.
• 고해상도·고정밀도 편광 관측(예: ALMA)을 이용한 코로나 자기도 측정의 가능성 여부를 규명하기 위해.
• 장비의 편광 특성이 밀리미터/서브밀리미터 관측에서 자기장 복원의 정밀도에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 태양 대기의 코로나 플라즈마와 자기장을 모델링하기 위해 3차원 비국소열역학평형(비- LTE) 복사자기유체역학 시뮬레이션을 활용하였다.
• ALMA 주파수 대역을 기준으로 하여 밀리미터 및 서브밀리미터 파장에서 밝기 스펙트럼과 원형 편광을 합성하였다.
• 모의된 밀리미터/서브밀리미터 복사에서 원형 편광도를 기반으로 종방향 자기장 성분을 추출하였다.
• 복사의 효과적 형성 높이에서 유도된 자기장과 진짜 모델 자기장 간의 비교를 수행하였다.
• 복사 기여 함수의 강도에 따라 자기장을 가중하여 높이 평균화된 복사 기여를 고려했다.
• 장비의 분해능 낮추기 효과 및 편광 응답(빔 및 누설 항목 포함)이 자기장 복원 정확도에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀리미터 및 서브밀리미터 파장에서의 자유자기 복사는 종방향 코로나 자기장 성분을 신뢰성 있게 진단할 수 있는가?
• RQ2 3차원 비- LTE 시뮬레이션에서 복원된 자기장과 진짜 자기장 값 사이의 체계적 편향은 무엇인가?
• RQ3 복사 형성 과정에서의 높이 평균화 효과는 자기장 측정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 장비의 편광 특성은 밀리미터/서브밀리미터 관측에서 코로나 자기도의 정밀도를 어느 정도 제한하는가?
• RQ5 이 방법은 약한 조용한 태양 지역과 더 강한 활성 지역 자기장을 충분한 해상도와 정밀도로 맵핑하는 데에 충분한가?

주요 결과

• 이 방법은 밀리미터/서브밀리미터 자유자기 복사에서 종방향 코로나 자기장을 성공적으로 복원하였으며, 진짜 모델 자기장과 양호한 상관관계를 보였다.
• 복사 형성 높이 범위에 걸쳐 평균화된 영향으로 인해 복원된 자기장은 약 10% 체계적으로 과소평가되었다.
• 효과적 형성 높이에서 절대 원형 편광도가 0.01%를 초과하는 영역에서는 복원 자기장의 상대 오차가 일반적으로 10% 이하였다.
• Severino 등(1994)의 우먼 모델은 9 mm에서 5%, 3 mm에서 1%의 원형 편광도를 예측하였고, Fontenla 등(2011)의 모델은 각각 6%와 3%를 예측하였다.
• 이 방법은 장비의 분해능 낮추기 효과에 대해 강건하였으며, 극단적인 값만을 부드럽게 만드는 데 그치고 전반적인 자기장 복원 정확도에 크게 영향을 주지 않았다.
• 고정밀도의 안테나 편광 응답 및 주 beam 특성 측정이 정확한 코로나 자기도 측정의 주요 제한 요소로 규명되었다.