[论文解读] The Polarimetric and Helioseismic Imager for Solar Orbiter: SO/PHI
太阳轨道器任务上的偏振与日震成像仪（SO/PHI）利用两台望远镜——全景望远镜和高分辨率望远镜——在Fe I 617.3 nm谱线处实现全斯托克斯矢量成像，从而实现高精度的矢量磁场和视向速度映射。其独特的黄道面以上观测位置使立体偏振测量成为可能，并实现了对太阳极区磁场和动力学前所未有的观测。
The {\em Solar Orbiter} is the next solar physics mission of the European Space Agency, ESA, in collaboration with NASA, with a launch planned in 2018. The spacecraft is designed to approach the Sun to within 0.28\,AU at perihelion of a highly eccentric orbit. The proximity with the Sun will also allow its observation at uniformly high resolution at EUV and visible wavelengths. Such observations are central for learning more about the magnetic coupling of the solar atmosphere. At a later phase in the mission the spacecraft will leave the ecliptic and study the enigmatic poles of the Sun from a heliographic latitude of up to 33$^\circ$.
研究动机与目标
- 测量太阳光球层的矢量磁场和视向速度，以理解太阳大气中磁场的耦合机制。
- 通过在日-地连线之外运行，实现立体偏振测量，减少磁场测量中的180°模糊性。
- 从黄道面以上观测点首次提供高纬度矢量磁场图，提升极区磁场测量精度。
- 通过测量至太阳纬度33°的表面和次表面流动，支持日震学研究。
- 提供高精度、高时间分辨率的数据，以建立太阳表面动力学与日 corona 及日球层变化之间的联系。
提出的方法
- 采用两台望远镜：全景望远镜（FDT）和高分辨率望远镜（HRT），实现200 km空间分辨率的同步观测。
- 使用滤光片图（FG），其包含LiNbO3固态法布里-珀罗标准具和3 Å预滤波器，以100 mÅ带宽隔离Fe I 617.3 nm谱线。
- 通过两个向列液晶延迟器和一个线性偏振片（PMP）实现偏振调制，用于全斯托克斯参数测量。
- 采用主动热稳定控制（FG为±0.045 K，PMP为±0.5 K），并使用多层滤光窗以实现高透射率和低发射率，从而最小化热负载。
- 在星上采用非线性最小二乘法反演辐射转移方程，从斯托克斯数据中反演矢量磁场、视向速度和强度。
- 使用数据处理单元（DPU）实现实时、自适应的星上数据压缩与降尺度处理，以满足严格的测控数据率限制。
实验结果
研究问题
- RQ1如何在空间中以高空间和时间分辨率实现高精度的矢量磁场测量？
- RQ2太阳光球层和日 corona 中磁场的动力学和结构特征是什么，特别是在高纬度区域？
- RQ3立体偏振测量如何提高矢量磁场测量的精度并减少180°模糊性？
- RQ4高纬度磁场和流动在太阳发电机和日球层变化中扮演何种角色？
- RQ5太阳表面磁场和流动如何与太阳风起源及日 corona 结构相关联？
主要发现
- SO/PHI在太阳表面实现了200 km的空间分辨率，能够高保真度地映射光球层磁场特征。
- 该仪器在Fe I 617.3 nm谱线处提供全斯托克斯矢量测量，可精确测定矢量磁场和视向速度。
- SO/PHI是首个在日-地连线之外运行的太阳偏振计，实现了立体偏振测量并改善了矢量磁场重建。
- 该仪器独特的观测位置使其首次实现了从黄道面上方对高纬度区域的直接矢量磁场图，覆盖至33°太阳地理纬度。
- 星上数据处理通过非线性反演辐射转移方程压缩数据量，使在测控带宽限制内实现高时间分辨率科学产品成为可能。
- 该仪器已通过关键设计评审，现处于鉴定阶段，飞行模型预计于2016年交付，2018年发射。
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