[논문 리뷰] Was the GLE on May 17, 2012 linked with the M5.1-class flare the first in the 24th solar cycle?

C. R. A. Augusto, V. Kopenkin외 9명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 29.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2012년 5월 17일 M5.1 등급의 플레어로 촉발된 태양 유효성 증가 현상(GLE)의 첫 번째 지표면 검출을 브라질의 트우피 뮤온 천체망원경을 통해 수행하였다. 실험은 5분 간격으로 배경에 비해 20%의 뮤온 과잉을 관측하여, 남대서洋洋 자기이상 지역에 위치한 저에너지 뮤온 천체망원경이 지구 자기장 차폐가 감소함에 따라 입자 침투가 증가함으로써 태양의 일시적 현상에 효과적으로 반응할 수 있음을 보여주었다.

ABSTRACT

On May 17, 2012 an M5.1-class flare exploded from the sun. An O-type coronal mass ejection (CME) was also associated with this flare. There was an instant increase in proton flux with peak at $\geq 100$ MeV, leading to S2 solar radiation storm level. In about 20 minutes after the X-ray emission, the solar particles reached the Earth.It was the source of the first (since December 2006) ground level enhancement (GLE) of the current solar cycle 24. The GLE was detected by neutron monitors (NM) and other ground based detectors. Here we present an observation by the Tupi muon telescopes (Niteroi, Brazil, $22^{0}.9 S$, $43^{0}.2 W$, 3 m above sea level) of the enhancement of muons at ground level associated with this M5.1-class solar flare. The Tupi telescopes registered a muon excess over background $\sim 20\%$ in the 5-min binning time profile. The Tupi signal is studied in correlation with data obtained by space-borne detectors (GOES, ACE), ground based neutron monitors (Oulu) and air shower detectors (the IceTop surface component of the IceCube neutrino observatory). We also report the observation of the muon signal possibly associated with the CME/sheath striking the Earth magnetosphere on May 20, 2012. We show that the observed temporal correlation of the muon excess observed by the Tupi muon telescopes with solar transient events suggests a real physical connection between them. Our observation indicates that combination of two factors, the low energy threshold of the Tupi muon telescopes and the location of the Tupi experiment in the South Atlantic Anomaly region, can be favorable in the study and detection of the solar transient events. Our experiment provides new data complementary to other techniques (space and ground based) in the study of solar physics.

연구 동기 및 목표

• 2012년 5월 17일 M5.1 등급의 태양 플레어와 태양활동주기 24의 첫 번째 지표면 증가(GLE) 사이의 물리적 연관성을 조사하기 위해.
• 특히 남대서양 자기이상(SAA) 지역에 위치한 지상 뮤온 천체망원경이 태양 에너지 입자(SEPs)와 태양 플레어 및 코로날 질량 방출(CMEs)과 관련된 태양의 일시적 현상을 감지할 수 있는 능력을 평가하기 위해.
• 지상에서 관측된 뮤온 통계 증가와 위성 기반(GOES, ACE) 및 지상 기반(중성자 모니터, IceTop) 태양의 일시적 현상 데이터 간의 상관관계를 분석하기 위해.
• 남대서양 자기이상 지역에서 낮은 지구 자기장 절단점과 낮은 에너지 임계값이 태양 입자 사건 감지 민감도를 향상시키는 역할을 하는지 평가하기 위해.
• 우주 기반 및 지상 기반 관측 장비와의 보완적 자료 제공을 통해 우주 날씨 모니터링 및 태양물리학 연구를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 브라질 니티우아이에 위치한 트우피 뮤온 천체망원경 어레이를 사용하였으며, 이는 남대서양 자기이상(SAA) 지역 내에 위치한 해수면 고도 3m, 위도 22.9°S, 경도 43.2°W에 위치해 있다.
• 5분 간격의 시간 해상도로 수직 및 기울인 구성에서 뮤온 카운팅률을 측정하였으며, 데이터 수집을 위해 30 MHz의 샘플링 속도를 사용하였다.
• GOES-15의 태양 X선 플럭스 데이터, ACE의 태양풍 파rameter, 핀란드 오우루의 중성자 모니터 데이터와 뮤온 통계 변화를 상관 분석하였다.
• 태양 플레어 및 CME 발생 시간과 동기화된 시간 프로파일을 이용해 배경 대비 뮤온 과잉을 분석하였다.
• 아이스큐브 중성미자 관측소의 아이스탑 표면 구성 요소에서의 공기 샤워 검출기 데이터와 뮤온 신호를 비교하였다.
• 지구 자기장 구조가 남대서양 자기이상 지역에서 입자 침투 및 뮤온 생성 효율성에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2012년 5월 17일 관측된 GLE는 M5.1 등급의 태양 플레어 및 관련 CME와 물리적으로 연결되어 있었는가?
• RQ2 남대서양 자기이상 지역에 위치한 지상 뮤온 천체망원경은 태양 플레어와 높은 시간 상관관계를 가지며 태양 에너지 입자 사건을 감지할 수 있는가?
• RQ3 트우피 천체망원경의 낮은 지구 자기장 절단점과 낮은 에너지 임계값이 태양의 일시적 현상 감지 민감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 뮤온 증가와 지구 자기권에 영향을 주는 행성간 충격 또는 CME 쉘드 사이의 시간 상관관계는 어떠한가?
• RQ5 뮤온 천체망원경은 우주 기반 및 중성자 모니터 관측 결과와 얼마나 보완적으로 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 트우피 뮤온 천체망원경은 2012년 5월 17일 M5.1 태양 플레어 이후 5분 간격의 구간에서 배경 대비 20%의 뮤온 카운팅률 과잉을 검출하였다.
• 뮤온 증가는 태양 플레어 발생과 행성간 충격 도착 시점과 시간적으로 상관관계를 보였으며, 이는 태양의 일시적 현상과의 물리적 연관성을 확인하였다.
• 관측 결과는 2012년 5월 17일 사건이 태양활동주기 24의 첫 번째 GLE임을 확인하였으며, 중성자 모니터 및 위성 기반 데이터와 일치하였다.
• 남대서양 자기이상 지역의 낮은 지구 자기장 절단점 덕분에 태양 입자가 강화된 침투를 경험하여, 낮은 에너지 임계값을 가진 탐지기임에도 불구하고 해수면에서 뮤온 통계가 증가하였다.
• 트우피 실험은 1차 입자가 피온 생성 임계값 이상의 입자를 감지할 수 있었으며, 지표면에서 에너지가 0.2–0.3 GeV 이상인 뮤온을 감지함을 입증하였다.
• 2012년 5월 20일에는 CME/쉘드가 지구 자기권에 영향을 주는 것으로 관측된 2차 뮤온 신호가 관측되어, 장비가 행성간 불안정성에 대한 감지 능력을 추가로 검증하였다.