[論文レビュー] Thomson Scattering above Solar Active Regions and an Ad Hoc Polarization Correction Method for the Emissive Corona

Thomas A. Schad, Sarah A. Jaeggli+1 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2022

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、太陽コロナにおけるトムソン散乱Kコロナの固有の線形偏光および偏光発光線の特性を用いて、臨床的・一時的な偏光補正手法を提案する。Kコロナの偏光発光を非還元的球面テンソルを用いてモデル化し、3次元MHDモデルから得られる合成Fe XIII 10746 Å線信号と組み合わせることで、機器に起因するクロストークを補正するミューラー行列を導出する。この手法により、ストークスQ/U間の回転誤差が3倍低減され、Vのクロストークが≤2×10⁻⁴まで低下する。

ABSTRACT

Thomson-scattered photospheric light is the dominant constituent of the lower solar corona’s spectral continuum viewed off-limb at optical wavelengths. Known as the K-corona, it is also linearly polarized. We investigate the possibility of using the a priori polarized characteristics of the K-corona, together with polarized emission lines, to measure and correct instrument-induced polarized crosstalk. First we derive the Stokes parameters of the Thomson scattering of unpolarized light in an irreducible spherical tensor formalism. This allows forward synthesis of the Thomson-scattered signal for the more complex scenario that includes symmetry-breaking features in the incident radiation field, which could limit the accuracy of our proposed technique. For this, we make use of an advanced 3D radiative magnetohydrodynamic coronal model. Together with synthesized polarized signals in the Fe <sc>xiii</sc> 10746 Å emission line, we find that an ad hoc correction of telescope- and instrument-induced polarization crosstalk is possible under the assumption of a nondepolarizing optical system.

研究の動機と目的

• 完全な校正光学系を備えずに大型口径コロナグラフにおける機器に起因する偏光クロストークを補正する手法を開発すること。
• トムソン散乱によるKコロナの既知の固有線形偏光を、自然な校正源として活用すること。
• Kコロナの偏光と合成された偏光発光線信号（Fe XIII 10746 Å）を組み合わせ、システムの特徴を特定すること。
• 3次元放射的MHDモデルを用いて非偏光性光学系の仮定の下で、この手法の妥当性を検証すること。
• DKIST や COSMO のようなスリットおよびフィルター式分光偏光計に適用可能な、強固な初期校正技術を提供すること。

提案手法

• 非偏光光の光球からのトムソン散乱の偏光放射率をモデル化するために、非還元的球面テンソル形式を用いる。
• 太陽コロナの3次元放射的磁気流体力学（MHD）モデルにこの形式を適用し、対称性を破る特徴を有する現実的な放射場をシミュレートする。
• 同じMHDモデルを用いてEコロナにおける偏光発光線信号（Fe XIII 10746 Å）を合成し、観測条件に一致させる。
• Kコロナの固有偏光と発光線信号を組み合わせ、光学系のミューラー行列を制約する。
• ストークスパラメータ間のクロストークをモデル化するために、非偏光性ミューラー行列分解（楕円偏光器および遅延素子）を用いる。
• 観測されたスペクトルプロファイルを用いたアドホックなフィットにより、システム応答を推定し、期待される接線偏光からのずれを最小化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kコロナの固有偏光を自然な校正源として、機器に起因する偏光クロストークを補正するために利用可能か？
• RQ2 KコロナとEコロナの偏光信号を組み合わせることで、コロナグラフ系のミューラー行列をどの程度正確に推定できるか？
• RQ3 入射放射場の対称性の破れ（例： sunspots によるもの）が、補正手法の精度にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 ストークスVにおける測定ノイズおよびS/N制限が、推定されたミューラー行列の信頼性に与える影響はいかほどか？
• RQ5 適切な光球線が存在しない、または混合している場合、この手法の実用的限界は何か？

主な発見

• この手法により、補正なしの測定と比較して、ストークスQとU間の回転クロストークが3倍低減された。
• ストークスVを含むクロストーク項は≤2×10⁻⁴まで低下し、強度から偏光へのクロストーク補正の高精度性が示された。
• 楕円遅延角の2つの妥当な解が得られた：⟨10.6°, 30.0°, −80.0°⟩ および ⟨169.4°, 150.0°, 100.0°⟩、真のシステム応答からのずれは最小であった。
• 補正後の誤差行列は、近似的に理想に近く、Q–UおよびVのクロストークに関する非対角項が無視できるほど低減された。
• 理想状態下でもこの手法は頑健であり、接線方向からわずかにずれた偏光角に対しても有効である。
• この手法はスリットおよびフィルター式分光偏光計に適応可能であり、特に初期システムの特徴評価や、より複雑なモデルの検証に有用である。