[논문 리뷰] Toward Next Generation Solar Coronagraph: Diagnostic Coronagraph Experiment

Kyung‐Suk Cho, Heesu Yang외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 11.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 3934 Å와 4305 Å에서의 협대역 영상 촬영을 통해 저위성권에서 전자 온도와 속도를 측정하기 위해 설계된 지상 기반 태양 코로나그래프 시스템인 진단 코로나그래프 실험(DICE)의 개발 및 검증을 제시한다. 코로나에서 프라운호퍼 선의 열적 넓이와 도플러 시프트를 분석함으로써 DICE는 동측 가장자리의 온도 분포도를 성공적으로 생성하였으며, 플레어가 있는 영역에서는 더 높은 온도를, 코로나홀 경계에서는 더 낮은 온도를 나타내었지만, 프로미네인스의 산란으로 인해 서측 가장자리 데이터는 오염되었다.

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).

연구 동기 및 목표

• 저위성권에서 전자 온도와 속도를 측정하기 위한 지상 기반 진단 코로나그래프 시스템을 개발하기 위해.
• 전체 일식을 시험용 플랫폼으로 삼아 차세대 코로나그래프의 광학, 필터, 제어 시스템을 검증하기 위해.
• 협대역 영상 촬영을 통한 프라운호퍼 선 분석이 코로나 내 플라즈마 온도와 축방향 속도를 유도하는 데의 가능성을 평가하기 위해.
• 미래의 궤도 기반 임무인 CODEX와 같은 것들에 대한 체계적 오차와 기술적 과제를 규명하기 위해.

제안 방법

• 50 mm 개구구경 렌즈, 밴드패스 필터, 편광판, CCD 감지기를 포함한 컴act 광학 시스템의 설계 및 통합.
• 일식 동안 태양 정렬을 유지하기 위해 컴퓨터 제어의 모터식 추적 시스템 구현.
• 시간에 민감한 조건에서 신뢰성 있는 운영을 가능하게 하는 임베디드 제어 소프트웨어로 코어 플라이트 시스템(cFS) 사용.
• 두 파장 대역(3934 Å: 열적 넓이 민감도, 4305 Å: 도플러 시프트 민감도)에서 강도 비율을 이용한 온도 및 속도 진단 적용.
• 통제된 조건에서 시스템 해상도(RMS 스팟 직경 <14.8 μm)와 강도 정확도(±1% 이내)를 검증하기 위한 실험실 테스트 수행.
• 신호 대 잡음 비율 향상과 온도 불확도 추정을 위해 이미지 스택 및 몬테카를로 시뮬레이션 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3934 Å와 4305 Å에서의 프라운호퍼 선 협대역 영상 촬영이 저위성권에서 전자 온도와 축방향 속도를 정확하게 복원할 수 있는가?
• RQ2 프로미네인스에서 발생하는 잔광과 렌즈 플레어가 코로나 영상에서의 온도 측정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스트리머 기하학적 비대칭성(앞면 대 후면)이 대칭 모델 대비 온도 비율 측정에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 기본 내부 허용 오차 분석에서 고려되지 않은 주요 체계적 오차는 무엇인가?
• RQ5 cFS 소프트웨어 프레임워크는 이동식 태양 코로나그래프 시스템의 실시간 제어에 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• DICE 기구는 동측 가장자리의 코로나 온도 분포도를 성공적으로 생성하였으며, 스트리머 내에서는 더 높은 온도, 극지역 코로나홀 경계에서는 더 낮은 온도를 나타내었다.
• DICE 데이터에서 유도된 온도 추정치는 특히 동측 가장자리 영역에서 알려진 코로나 경향과 일치하였다.
• 서측 가장자리에서는 프로미네인스로 인한 산란과 렌즈 플레어로 인해 심각한 오염이 발생하여 이 지역의 온도 측정이 신뢰할 수 없게 되었다.
• 관측된 비율 변동성이 몬테카를로 시뮬레이션에서 예상되는 불확도를 초과하여, 잔광, 회절 무늬, 평탄화 문제 등 고려되지 않은 체계적 오차가 존재할 가능성이 제기되었다.
• 일식 중 한 카메라 고장으로 인해 데이터 수집이 제한되었으며, 이는 강력한 전원 분배 및 사전 시스템 수준의 시험의 중요성을 부각시켰다.
• 임베디드 제어에 cFS를 사용한 결과 효과적이고 신뢰성 있었으며, 향후 고고도 고글로우 및 궤도 임무에서 유사 시스템의 배치를 지원한다.