[论文解读] High precision density measurements in the solar corona: I. Analysis methods and results for Fe XII and Fe XIII

Peter R. Young, Takayuki Watanabe+2 more|ArXiv.org|May 7, 2008

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 45被引用 99

一句话总结

本文利用太阳动力学天文台/EIS仪器观测到的Fe XII和Fe XIII的极紫外发射线波长比，实现了太阳日冕中电子密度测量的高精度，单像素精度高达±5%。尽管测量精度很高，但不同诊断方法之间仍存在显著差异（最高达0.5 dex），暴露出原子模型中的关键误差，特别是Fe XII λ196.64和Fe XIII λ203.82线，仪器效应如光栅倾斜也有所贡献。

ABSTRACT

The EUV Imaging Spectrometer (EIS) instrument on board the Hinode satellite has access to some of the best coronal density diagnostics and the high sensitivity of the instrument now allows electron number density, N_e, measurements to an unprecedented precision of up to +/-5 % in active regions. This paper gives a thorough overview of data analysis issues for the best diagnostics of Fe XII and Fe XIII and assesses the accuracy of the measurements. Two density diagnostics each from Fe XII (186.88/195.12 and 196.64/195.12) and Fe XIII (196.54/202.04 and 203.82/202.04) are analysed in two active region data-sets from 2007 May 3 and 6 that yield densities in the range 8.5 < log N_e < 11.0. The densities are derived using v5.2 of the CHIANTI atomic database. The Fe XII and Fe XIII diagnostics show broadly the same trend in density across the active region, consistent with their similar temperatures of formation. However the high precision of the EIS measurements demonstrates significant discrepancies of up to 0.5 dex in derived log N_e values, with Fe XII always giving higher densities than Fe XIII. The discrepancies may partly be due to real physical differences between the emitting regions of the two plasmas, but the dominant factor lies in the atomic models of the two ions. Two specific problems are identified for Fe XII 196.64 and Fe XIII 203.82: the former is found to be under-estimated in strength by the CHIANTI atomic model, while the high density limit of the 203.82/202.04 is suggested to be inaccurate in the CHIANTI atomic model. The small grating tilt of the EIS instrument is found to be very significant when deriving densities from emission lines separated by more than a few angstroms.

研究动机与目标

• 利用Hinode/EIS数据实现太阳日冕中电子密度测量前所未有的精度。
• 评估活动区中Fe XII和Fe XIII发射线波长比诊断法的准确性和可靠性。
• 识别并量化影响密度测量的原子模型和仪器校准中的系统性误差。
• 确定诊断方法之间的差异是否源于物理等离子体不均匀性，还是原子模型不准确。
• 为未来分析提供修正后的谱线波长和校正后的仪器效应。

提出的方法

• 利用Hinode/EIS在2007年5月3日和6日两次活动区观测中获取的高分辨率、高灵敏度极紫外光谱，曝光时间≥30秒。
• 应用四种密度诊断方法：Fe XII λ186.88/λ195.12、Fe XII λ196.64/λ195.12、Fe XIII λ196.54/λ202.04、以及Fe XIII λ203.82/λ202.04。
• 采用CHIANTI原子数据库v5.2进行谱线强度和跃迁概率的计算。
• 实施自动线型拟合，并仔细处理谱线重叠问题，包括Fe VIII、S XI的贡献以及仪器效应。
• 对EIS光栅倾斜−0.0792 Å/pixel进行校正，该效应显著影响谱线分离测量。
• 基于光谱拟合，将Fe XIII λ196.54的静止波长修订为196.518±0.003 Å，Fe XII λ196.64的静止波长修订为196.647±0.003 Å。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用Hinode/EIS能否在单个空间像素中实现子5%精度的电子密度测量？
• RQ2 为何尽管测量精度很高，不同Fe XII和Fe XIII密度诊断方法仍系统性地给出不同结果？
• RQ3 仪器效应（如光栅倾斜和谱线重叠）在多大程度上影响推导出的电子密度？
• RQ4 Fe XII与Fe XIII诊断方法之间的差异是源于真实等离子体不均匀性，还是原子模型不准确？
• RQ5 基于光谱拟合，Fe XIII λ196.54和Fe XII λ196.64的校正后静止波长是多少？

主要发现

• Hinode/EIS的电子密度测量在单个空间像素中实现了±5%的精度，相比以往仪器有显著提升。
• Fe XII λ196.64/λ195.12比值始终比Fe XII λ186.88/λ195.12比值高约0.4 dex，表明存在原子或仪器问题。
• 在电子密度log Ne < 10.0的区域，Fe XIII λ203.82/λ202.04比值与λ196.54/λ202.04比值一致，但在高密度区域出现过高估计，可能源于CHIANTI模型中高密度极限的不准确。
• 在大部分活动区区域，Fe XII密度系统性高于Fe XIII密度达0.5 dex，尤其在高密度区域，表明原子模型存在不准确。
• 当谱线分离超过几个埃时，EIS光栅倾斜−0.0792 Å/pixel对密度测量有显著影响，必须进行校正。
• 基于光谱拟合和校准，提出修订后的静止波长：Fe XIII λ196.54为196.518±0.003 Å，Fe XII λ196.64为196.647±0.003 Å。