[論文レビュー] The GREGOR Fabry-Perot Interferometer - A New Instrument for High-Resolution Spectropolarimetric Solar Observations

K. G. Puschmann, H. Balthasar+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 5

ひとこと要約

GREGOR ファブリペロー干渉計（GFPI）は、1.5メートルの GREGOR 太陽望遠鏡を対象とする高分解能分光偏光計器であり、60 km の空間分解能と波長域 530–860 nm における分光分解能 R ≈ 250,000 を実現する回折限界の像形成を可能にする。可変周波数の二重エタロン方式を採用し、全ステークス偏光測定と高度なデータ処理により、光球およびコロナ層のラインから磁場、速度、温度マップを導出可能であり、微細空間スケールにおける太陽磁気構造の研究を顕著に向上させる。

ABSTRACT

Fabry-Perot interferometers have advantages over slit spectrographs because they allow fast narrow-band imaging and post-factum image reconstruction of spectropolarimetric data. Temperature, plasma velocity, and magnetic field maps can be derived from inversions of photospheric and chromospheric spectral lines, thus, advancing our understanding of the dynamic Sun and its magnetic fields at the smallest spatial scales. The GREGOR Fabry-Perot Interferometer (GFPI) is one of two firstlight instruments of the 1.5-meter GREGOR solar telescope, which is currently being commissioned at the Observatorio del Teide, Tenerife, Spain. The GFPI operates close to the diffraction limit of GREGOR, thus, providing access to fine structures as small as 60 km on the solar surface. The field-of-view of 52"x 40" is sufficiently large to cover significant portions of active regions. The GFPI is a tuneable dual-etalon system in a collimated mounting. Equipped with a full-Stokes polarimeter, it records spectropolarimetric data with a spectral resolution of R = 250,000 over the wavelength range from 530-860 nm. Large-format, high-cadence CCD detectors with powerful computer hard- and software facilitate scanning of spectral lines in time spans corresponding to the evolution time-scale of solar features. We present the main characteristics of the GFPI including the latest developments in software, mechanical mounts, and optics.

研究の動機と目的

• GREGOR 太陽望遠鏡向けに、最小空間スケールにおける太陽磁場およびプラズマダイナミクスを研究可能な高分解能分光偏光計器を開発すること。
• 従来のスリット分光計の限界を克服し、高速かつ狭帯域の像形成と事後的画像復元を可能とすること。
• 52′′×40′′ の視野を有する回折限界性能を実現し、太陽活動領域の広範囲をカバーすること。
• 580–660 nm 範囲における正確な偏光測定を実現するため、全ステークス偏光計にフェロエレクトリック液体結晶とサヴァルト板を組み込むこと。
• 高コマレートのCCD検出器と堅牢なソフトウェアパイプラインを用いて、科学的データ還元および画像復元を実現するリアルタイムデータ取得と処理を可能とすること。

提案手法

• GFPI は、70 mm の直径、95% の反射率コーティング、キャビティ間隔が 1.1 mm および 1.4 mm の二重エタロン方式を採用し、分光分解能 R ≈ 250,000 および FWHM 1.9–5.6 pm を達成する。
• エタロンは三軸容量ブリッジを用いた安定化と RS-232 を介したデジタル制御により、530–860 nm の範囲で高速な分光スキャンが可能となる。
• 全ステークス偏光計には、四分の波長板および二分の波長板としてのフェロエレクトリック液体結晶と、変更を加えたサヴァルト板を用い、偏光状態の変調と分析が行われる。
• 高コマレートで大画素数のCCD検出器（1376×1040 ピクセル、6.45 μm ピクセルサイズ、12ビットADC、フルウェル容量 18,000 e−）が、低読み出しノイズ（4.5 e−）で分光データをキャプチャする。
• DaVisベースの制御コンピュータを用いた集中型制御システムが、RS-232、TTL、TCP/IP を介して、検出器、エタロン、偏光計、AOシステム、データストレージと通信し、独自のデバイス通信プロトコル（DCP）を用いる。
• データ処理には、スキャンパラメータのリアルタイム表示、スぺックラ再構成、およびマルチフレームブラインドデコンボリューション（MFBD）と KISIP を用いた画像復元が含まれ、リアルタイムAO補正を超える空間分解能の回復が実現される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変周波数の二重エタロン方式ファブリペロー干渉計は、1.5メートルの太陽望遠鏡において、高分光および高空間分解能を実現する回折限界性能を達成できるか？
• RQ2 スぺックラ再構成やブラインドデコンボリューションといった事後的画像復元技術は、リアルタイムアダプティブオプティクス補正を超えて、空間分解能をどの程度向上できるか？
• RQ3 フェロエレクトリック液体結晶を用いた全ステークス偏光計は、可視光域（580–660 nm）において、太陽磁場診断のための正確な分光偏光測定をどの程度効果的に実現できるか？
• RQ4 高コマレートで大画素数のCCDと堅牢なソフトウェアパイプラインの統合により、動的太陽特徴の分光偏光データの効率的取得と処理が可能になるか？
• RQ5 GFPI は、光球およびコロナ層の分光ラインにおいて、60 km までの微細構造を解像可能であり、熱力学的および磁場パラメータの導出にどの程度の性能を示すか？

主な発見

• GFPI は、530–860 nm の範囲で分光分解能 R ≈ 250,000、FWHM 1.9–5.6 pm を達成し、高純度の分光測定が可能となる。
• 太陽表面における空間分解能 60 km の回折限界の像形成が実現され、太陽円盤中心部では 0.026′′ のスケールに対応する。
• 52′′×40′′ の視野は、太陽活動領域の広範囲をカバーするのに十分であり、文脈を含んだ観測が可能となる。
• スぺックラ再構成とマルチフレームブラインドデコンボリューション（MFBD）を用いた事後的画像復元により、リアルタイムAO補正を超える空間分解能の向上が成功し、画像の忠実度が向上した。
• キーペンハイュアー研究所スぺックラ干渉パッケージ（KISIP）がデータパイプラインに統合され、波面センシングデータを用いてフィールド依存のAO補正をモデル化可能となった。
• データパイプラインは、スキャンパラメータのリアルタイム監視をサポートし、FITSフォーマットへの変換とクイックルック処理を伴うRAIDストレージへの自動データ転送を可能としている。