[논문 리뷰] Properties of sunspots in cycle 23: I. Dependence of brightness on sunspot size and cycle phase

Shibu K. Mathew, V. Mart ́ õnez Pillet외 2명|ArXiv.org|2007. 01. 13.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 32인용 수 63

한 줄 요약

이 연구는 태양활동 23주기 동안의 고해상도 MDI/SOHO 연속 스펙트럼 이미지를 사용하여 160개 이상의 sunspot을 분석하여 어둠진부와 반그림자부의 밝기 변화가 sunspot 크기와 태양활동주기 단계에 어떻게 영향을 받는지 조사한다. 철저한 잔광 및 자오성 효과 보정 후, 연구자들은 활동주기 단계에 따른 밝기 변화는 유의미하지 않음을 발견했지만, 어둠진부 핵심부의 크기 의존적 어두움 현상(작은 sunspot일수록 더 밝음)이 뚜렷하게 나타나, 자기 구조의 크기에 따라 에너지 수송 메커니즘이 근본적으로 변화할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

In this paper we investigate the dependence of umbral core brightness, as well as the mean umbral and penumbral brightness on the phase of the solar cycle and on the size of the sunspot. Albregtsen & Maltby (1978) reported an increase in umbral core brightness from the early to the late phase of solar cycle from the analysis of 13 sunspots which cover solar cycles 20 and 21. Here we revisit this topic by analysing continuum images of more than 160 sunspots observed by the MDI instrument on board the SOHO spacecraft for the period between 1998 March to 2004 March, i.e. a sizable part of solar cycle 23. The advantage of this data set is its homogeneity, with no seeing fluctuations. A careful stray light correction, which is validated using the Mercury transit of 7th May, 2003, is carried out before the umbral and penumbral intensities are determined. The influence of the Zeeman splitting of the nearby NiI spectral line on the measured 'continuum' intensity is also taken into account. We did not observe any significant variation in umbral core, mean umbral and mean penumbral intensities with solar cycle, which is in contrast to earlier findings for the umbral core intensity. We do find a strong and clear dependence of the umbral brightness on sunspot size, however. The penumbral brightness also displays a weak dependence. The brightness-radius relationship has numerous implications, some of which, such as those for the energy transport in umbrae, are pointed out.

연구 동기 및 목표

• 더 큰, 균일한 데이터셋을 사용하여 이전에 논란이 있었던 활동주기 단계에 따른 어둠진부 밝기 변화 주장의 재검토.
• Norton & Gilman (2004)의 연구 결과와 같은 이전 연구들 간의 모순을 해결하며, 잔광 보정 없이 태양활동 최고점 근처에서 밝기 최소값이 관측된 바를 고려.
• 활동주기 단계와 무관하게 어둠진부와 반그림자부의 밝기가 sunspot 크기에 어떻게 의존하는지 분리하여 분석.
• 메르쿠르르 전행(2003년)을 활용하여 고도화된 잔광 보정 기법을 검증하고 정확한 강도 측정을 보장.
• MDI 데이터에서 연속 스펙트럼 강도 측정에 영향을 줄 수 있는 근처 Ni I 선의 자오성 분할 효과를 평가.

제안 방법

• 1998–2004년 동안의 MDI 전체 디스크 연속 스펙트럼 이미지에서 μ > 0.94를 만족하는 234개의 sunspot을 선별하여 테두리 효과를 최소화.
• Maltby 등 (1986)과의 직접 비교를 위해 어둠진부 반경이 5″에서 15″ 사이인 164개의 sunspot만을 분석 대상으로 제한.
• 도메인에서의 푸리에 역변환과 가우시안 윈도우 적용을 통한 복원을 사용하여 기구의 점원형 분포함수를 보정하고 기브스 진동을 최소화.
• 메르쿠르르 전행 관측(2003년 5월 7일)을 활용하여 잔광 보정을 캘리브레이션하고 검증하여 핵심 강도 측정의 정확도를 2% 이내로 확보.
• Ni I 6768 Å 선의 자오성 분할 효과가 연속 스펙트럼 강도 측정에 미치는 영향을 보정.
• 유도된 확산 함수를 사용한 시뮬레이션을 통해 관측된 밝기-크기 경향이 잔광의 영향으로 인한 가짜 현상이 아니며 실제 물리적 경향임을 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양활동 23주기의 단계에 따라 어둠진부 핵심부 밝기가 유의미하게 변하는가?
• RQ2 평균 어둠진부 및 반그림자부 밝기는 sunspot 크기에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 이전에 보고된 어둠진부 밝기의 활동주기 의존성은 보정되지 않은 잔광 또는 기구적 요인 때문인가?
• RQ4 Ni I 선의 자오성 분할이 MDI 데이터에서 측정된 연속 스펙트럼 강도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 밝기-크기 관계는 잔광 오염으로 인한 것이며, 아니면 실제 물리적 경향을 반영하는가?

주요 결과

• 태양활동 23주기 전반에 걸쳐 어둠진부 핵심부, 평균 어둠진부, 평균 반그림자부 밝기에 유의미한 변화가 없었으며, 이는 이전 연구에서 보고된 활동주기 의존성 주장과 정면으로 배치된다.
• 어둠진부 밝기와 sunspot 크기 사이에 뚜렷한 강한 의존성이 관측되었으며, 작은 어둠진부일수록 더 밝게 나타났다.
• 반그림자부 밝기 역시 크기에 따라 약간의 의존성을 보였지만, 어둠진부의 경우에 비해 경향성이 뚜렷하지 않았다.
• 메르쿠르르 전행을 통한 잔광 보정 검증 결과, 유사한 크기의 sunspot에 대해 핵심 강도는 2% 이내, 평균 강도는 10% 이내로 회복됨을 확인.
• 시뮬레이션 결과 관측된 밝기-크기 관계는 잔광으로 인한 오염이 아닌 실제 물리적 경향임을 확인하였으며, 특히 반대 방향의 크기-밝기 경향을 고려할 경우 더욱 그러하다.
• 밝기-반경 관계는 어둠진부 내 에너지 수송 메커니즘이 자기 구조의 크기에 따라 변화할 수 있음을 시사하며, 대류 억제 또는 자기장 강도 스케일링의 근본적 변화를 암시한다.