[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种用于日冕日球仪的临时偏振校正方法，利用太阳日冕中汤姆孙散射K-日冕的本征线性偏振及极化发射线。通过使用不可约球张量建模K-日冕的偏振辐射，并结合来自三维MHD模型的合成Fe XIII 10746 Å谱线信号，该方法推导出用于校正仪器引入串扰的穆勒矩阵，将斯托克斯Q/U的旋转误差降低三倍，V的串扰降低至≤2×10⁻⁴。

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.

研究动机与目标

• 开发一种无需完整校准光学元件的大型孔径日冕仪仪器诱导偏振串扰校正方法。
• 利用已知的汤姆孙散射K-日冕本征线性偏振作为自然校准源。
• 结合K-日冕偏振与合成极化发射线信号（Fe XIII 10746 Å）进行系统表征。
• 在非去偏振光学系统假设下，利用三维辐射磁流体动力学（MHD）模型验证该方法。
• 为像DKIST和COSMO这样的狭缝式与滤光式谱偏振计提供一种稳健的初始校准技术。

提出的方法

• 使用不可约球张量形式化方法建模来自非偏振光球光的汤姆孙散射偏振发射率。
• 将该形式化方法应用于太阳日冕的三维辐射磁流体动力学（MHD）模型，以模拟具有对称性破缺特征的真实辐射场。
• 利用相同的MHD模型在E-日冕中合成极化发射线信号（Fe XIII 10746 Å），以匹配观测条件。
• 结合K-日冕的本征偏振与发射线信号，以约束光学系统的穆勒矩阵。
• 采用非去偏振穆勒矩阵分解（椭圆二向色性器与延迟器）来建模斯托克斯参数之间的串扰。
• 通过观测谱线轮廓的临时拟合推断系统响应，使与预期切向偏振的偏差最小化。

实验结果

研究问题

• RQ1 K-日冕的本征偏振能否用作自然校准源，以校正仪器引入的偏振串扰？
• RQ2 结合K-日冕与E-日冕偏振信号，能否高精度推断日冕仪系统的穆勒矩阵？
• RQ3 入射辐射场中的对称性破缺（例如，由于黑子引起）在多大程度上影响该校正方法的准确性？
• RQ4 斯托克斯V中测量噪声与信噪比限制如何影响推断穆勒矩阵的可靠性？
• RQ5 当合适的光球线缺失或发生重叠时，该方法的实际限制是什么？

主要发现

• 与未经校正的测量相比，该方法成功将斯托克斯Q与U之间的旋转串扰降低三倍。
• 涉及斯托克斯V的串扰项降低至≤2×10⁻⁴，表明强度到偏振串扰的校正具有高保真度。
• 找到了两组可行的椭圆延迟角解：⟨10.6°, 30.0°, −80.0°⟩ 和 ⟨169.4°, 150.0°, 100.0°⟩，与真实系统响应的偏差极小。
• 校正后系统的误差矩阵表现出接近理想性能，Q–U与V串扰的非对角项被降低至可忽略水平。
• 该技术在理想条件下具有鲁棒性，即使偏振角略微偏离切向方向，仍保持有效。
• 该方法可适用于狭缝式与滤光式谱偏振计，在初始系统表征或复杂模型验证中尤为有用。