[논문 리뷰] Solar observation with the Fourier transform spectrometer I : Preliminary results of the visible and near-infrared solar spectrum

Xianyong Bai, Zhiyong Zhang외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 16.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 29인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 가시광선 및 가까운 적외선(0.45–2.2 µm) 범위에서 고해상도 태양 스펙트럼 관측을 위해 Bruker IFS-125HR 푸리에 변환 분광계(FTS)를 성공적으로 활용한 바를 보여주며, 관측 설정과 데이터 역행렬 방법의 타당성을 검증한다. 실험 결과 표준 태양 아틀라스 및 NSO FTS 데이터와 양호한 일치를 보였으며, 이는 방법의 타당성을 확인하고 향후 적외선 태양 자기장 측정 시스템(AIMS)을 위한 핵심 경험을 제공한다.

ABSTRACT

The Fourier transform spectrometer (FTS) is a core instrument for solar observation with high spectral resolution, especially in the infrared. The Infrared System for the Accurate Measurement of Solar Magnetic Field (AIMS), working at 10-13 $\mu m$, will use a FTS to observe the solar spectrum. The Bruker IFS-125HR, which meets the spectral resolution requirement of AIMS but just equips with a point source detector, is employed to carry out preliminary experiment for AIMS. A sun-light feeding experimental system is further developed. Several experiments are taken with them during 2018 and 2019 to observe the solar spectrum in the visible and near infrared wavelength, respectively. We also proposed an inversion method to retrieve the solar spectrum from the observed interferogram and compared it with the standard solar spectrum atlas. Although there is a wavelength limitation due to the present sun-light feeding system, the results in the wavelength band from 0.45-1.0 $\mu m$ and 1.0-2.2 $\mu m$ show a good consistence with the solar spectrum atlas, indicating the validity of our observing configuration, the data analysis method and the potential to work in longer wavelength. The work provided valuable experience for the AIMS not only for the operation of a FTS but also for the development of its scientific data processing software.

연구 동기 및 목표

• 태양 천문학에서 푸리에 변환 분광계(FTS)의 신뢰할 수 있는 관측 설정을 수립함으로써, 향후 중국에서의 적외선 태양 관측을 위한 기초를 마련한다.
• 가시광선 및 가까운 적외선 태양 스펙트럼을 이용한 FTS 운영을 위한 일시적 태양광 공급 시스템을 개발하고 테스트한다.
• 고해상도 태양 분광학을 위한 간섭무역 처리 및 스펙트럼 역행렬을 포함한 데이터 감소 파ip라인의 타당성을 검증한다.
• 특히 중간 적외선 범위에서 태양 관측을 위해 점감도계 FTS를 사용할 수 있는 가능성과 한계를 평가한다.
• 향후 AIMS 임무를 위한 기초 경험과 방법론적 검증을 제공한다. 이 임무는 12.32 µm에서 고정밀 태양 자기장 측정을 위해 FTS를 사용할 것이다.

제안 방법

• 최대 광로 차이(OPD)가 258 cm인 Bruker IFS-125HR FTS를 사용하여 시간 모드 방식으로 운영한다.
• 태양 망원경과 광섬유를 이용한 일시적 태양광 공급 시스템을 개발하여 FTS 감도계에 태양광을 공급한다.
• 점감도계를 사용하여 0.45–2.2 µm 범위의 간섭무역을 확보하였으며, 비대칭 데이터를 보정하기 위해 0 채움을 통해 간섭무역 대칭성을 복원한다.
• 푸리에 변환에서 부가적 린딩을 억제하기 위해 삼각 apodization 함수를 적용한다.
• 라우저 기준을 사용하여 OPD 캘리브레이션을 수행하고, apodized 간섭무역에 대해 역푸리에余弦변환을 수행하여 태양 스펙트럼을 복원한다.
• 이ン터퍼미오미터의 알려진 OPD를 기반으로 단계 이동 보정을 수행하고, 식(9)을 적용하여 간섭무역 내 단계 오차를 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일시적 태양광 공급 시스템을 사용하여 점감도계 FTS 시스템이 가시광선 및 가까운 적외선 범위에서 태양 스펙트럼 관측에 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 삼각 apodization 함수와 같은 선택된 apodization 함수의 선택이 복원된 태양 스펙트럼의 해상도와 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 FTS 데이터의 신호 대 잡음비는 기존의 표준 태양 스펙트럼과 비교하여 어떻게 되며, 어떤 요소들이 이를 제한하는가?
• RQ4 정확한 태양 스펙트럼 복원을 위한 δOPD, 최대 OPD, 단계 보정 방법의 최적 조합은 무엇인가?
• RQ5 현재 FTS 설정은 향후 AIMS 운영을 위해 더 긴 파장(예: 10–13 µm)으로 연장될 수 있는가? 그리고 남아 있는 과제는 무엇인가?

주요 결과

• FTS는 0.45 µm에서 2.2 µm까지 광역 스펙트럼을 성공적으로 복원하여 관측 설정의 타당성을 입증하였다.
• 복원된 스펙트럼은 표준 태양 스펙트럼 아틀라스 및 NSO FTS 데이터와 뛰어난 일치를 보였으며, 특히 Fe I 1.56 µm 및 Hβ 486.1 nm 선의 선 깊이와 너비에서 높은 일치도를 보였다.
• 삼각 apodization 함수의 적용으로 부가적 린딩이 효과적으로 억제되어 스펙트럼 정확도가 향상되고 잡음이 감소하였다.
• 관측된 스펙트럼의 신호 대 잡음비는 NSO FTS보다 낮았으며, 주로 광섬유 시스템을 통한 수집된 광자 수가 적기 때문이었다.
• 분석에서 사용된 최대 OPD는 10 cm에 그쳤으며, 이는 장치의 최대 258 cm 능력에 비해 크게 낮아, 장파장 관측을 위한 데이터 수집 향상 여건이 남아 있음을 시사한다.
• 연구는 중간 적외선 태양 분광학의 주요 과제를 규명하였으며, 대기 흡수, 장비 배경 복사, 보다 향상된 캘리브레이션 방법의 필요성 등이 포함되어 있으며, 60 cm 주경량 거울을 갖춘 향상된 전반사 시스템 개발을 위한 기반을 마련하였다.