2019 Fiscal Year Annual Research Report
High Precision Polarimetric Observation by a Balloon-Borne Solar Telescope: Revealing Conversion Processes of Magnetic Energy in the Stellar Atmosphere
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18H05234
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| Research Institution | National Astronomical Observatory of Japan |
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Principal Investigator |
勝川 行雄 国立天文台, 太陽観測科学プロジェクト, 准教授 (00399289)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 敏文 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (60311180)
久保 雅仁 国立天文台, SOLAR-Cプロジェクト, 助教 (80425777)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 宇宙・天体プラズマ / 太陽物理学 / 光赤外線天文学 / 気球搭載装置 / 数値モデリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光球とコロナの中間にある「彩層」で発生する動的現象が担う磁気エネルギー輸送と散逸のプロセスを理解するため、大気球太陽望遠鏡SUNRISEで精密な偏光分光観測を実現し、質の高い彩層の3次元磁場・速度場を世界に先駆けて取得することを目指す。SUNRISEに搭載する近赤外線偏光分光装置SCIP(SUNRISE Chromospheric Infrared spectro-Polarimeter)をドイツ・スペインと共同開発しており、高い解像度と偏光精度を気球飛翔時の熱真空環境で実現する光学偏光系と光学構造系の開発に成功した。スペイン担当のカメラ及び観測制御装置と結合して、同期制御を含む観測機能も実証した。大型真空槽にSCIPを収容した熱真空試験を実施し、飛翔時の熱制御性能と光学性能の実証も完了した。装置の一部分に修正箇所が残っているものの、国内でのSCIP開発をほぼ完了させることができた。構成品開発の成果から論文出版もなされた。
並行して、観測データと直接比較するため、電磁流体数値シミュレーションで光球・彩層の動的現象をモデリングする研究を実施している。SUNRISE気球で観測する可視・近赤外線スペクトル線の偏光を非局所熱平衡輻射輸送計算で再現する研究を行い、磁気リコネクションや磁気流体波動の伝播時に発生する偏光信号を再現し、それがSUNRISE気球観測で検出できることを示した。これらは学会等で発表するとともに論文を執筆中である。さらに非局所熱平衡輻射輸送計算を基に、気球観測SUNRISEや大型望遠鏡DKISTによる広波長・高精度偏光データから太陽大気の物理量を求めるインバージョン手法の開発も進め論文を投稿した。SUNRISEで狙うターゲットを検討する国際ワーキンググループが立ち上がり、これまでの成果をもとに2022年のフライトに向けて観測計画を立案する活動が本格化した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
大気球太陽望遠鏡SUNRISEに搭載する偏光分光装置SCIPの開発では、飛翔体装置用の高精度光学系とそれを保持する構造系に加え、偏光分光観測の鍵となる駆動機構など、他の偏光観測装置や飛翔体観測装置に応用できる要素技術の開発に成功し、その成果を査読論文2編、集録論文5編として出版した。これら構成品のSCIPユニットへの組込みと、光学偏光性能実証、熱真空環境下での性能実証まで完了し、国内でのSCIP開発をほぼ完了させることができた。一方、COVID-19による渡航制限により、スペイン担当のカメラ及び制御エレキを国内開発部と結合した試験の開始が遅れるなどの影響を受け、開発に遅延が生じた。当初は2020年度中にSCIPをドイツへ供給する計画であったが、それを2021年度に遅らせることとなった。しかし、2022年6月に計画するフライト観測には影響が生じないように、ドイツで実施する試験計画を調整できており、研究期間内に観測データ取得と成果創出まで完了できる見込みである。
電磁流体数値シミュレーションによる太陽光球・彩層のモデリング研究では、非局所熱平衡輻射輸送計算コードを使い、SUNRISE気球望遠鏡で観測する可視光・赤外線のスペクトル線とそこで発生する偏光を再現できるようになった。この成果は査読論文として公表しており、さらに磁気リコネクションや磁気流体波動などの素過程から放射される偏光信号を予測するなど期待どおりの成果が出ている。観測される偏光データから太陽大気の磁場・速度場などの物理量を導出するインバージョン手法の開発で論文を投稿できており、SUNRISE観測で得られるデータに即座に適用できる準備を整えつつある。SUNRISE気球観測に先駆けて、ひので衛星やIRIS衛星の(偏光)分光データを解析することでも成果が得られており、以上の理由から順調に研究が進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
SUNRISE気球望遠鏡に搭載する近赤外線偏光分光装置SCIPの開発では、2021年度中頃までにドイツ・マックスプランク研究所へ供給し、SCIPをSUNRISE望遠鏡本体に組み込み、望遠鏡と結合した総合性能試験や他の観測機器との協調動作試験、気球ゴンドラ上での太陽指向試験を2021年度に実施する。その後、SUNRISE気球の射場であるスウェーデンでの試験を経て、飛翔観測を2022年6月に行う。SUNRISEは、スウェーデンから1週間かけて大西洋上空を飛翔しながら観測し、カナダに着陸する。その間、観測データは機上データレコーダに保存される。取得データを回収しその較正を行う。
太陽光球・彩層のモデリング研究では、観測と直接比較するため数値シミュレーションと輻射輸送計算により磁気エネルギー輸送と散逸の鍵となるメカニズムがどのように捉えられるか予想する研究をフライトまで継続して行い、成果を論文として出版する。偏光データから磁場・速度場などの物理量を導出するインバージョン手法を実際の観測で得られた偏光分光データに適用できることを検証する。そのために、2021年から科学観測を開始する大型地上望遠鏡DKISTの初期観測データも用いる計画である。さらに数値シミュレーションをより現実に近づける改良として、空間解像度の向上や加熱・冷却に伴う動的な電離・再結合の効果を取り込んだシミュレーションを計画している。モデリング研究で得られた知見をSUNRISE国際ワーキンググループにインプットすることでSUNRISE飛翔時の観測計画を策定する。SUNRISE飛翔観測データの解析は、SUNRISE開発班とモデリング研究班の共同で行うことで早期の成果創出を目指す。
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| Remarks |
[一般向け講演、メディア紹介]
- 勝川行雄「ロケットと気球で挑む新しい太陽観測」、 朝日カルチャーセンター「宇宙への挑戦」(2019年9月)、朝日カルチャーセンター横浜
- サイエンスZERO「探検!国立天文台#1 天体観測の最前線 潜入SP」 (2020年11月15日)、NHKEテレ
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[Journal Article] Achievements of Hinode in the first eleven years2019
Author(s)
Hinode Review Team、Al-Janabi、Antolin、Baker、Bellot Rubio、Bradley、Brooks、Centeno、 Culhane、Del Zanna、Doschek、Fletcher、Hara、Harra、Hillier、Imada、Klimchuk、Mariska、 Pereira、Reeves、Sakao、Sakurai、Shimizu、Shimojo、Shiota、Solanki、Sterling、Su、Suematsu、 Tarbell、Tiwari、Toriumi、他
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Journal Title
Publications of the Astronomical Society of Japan
Volume: 71
Pages: R1
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Sunrise Chromospheric Infrared spectroPolarimeter (SCIP) for SUNRISE III: polarization modulation unit2020
Author(s)
Masahito Kubo, Toshifumi Shimizu, Yukio Katsukawa, Yusuke Kawabata, Tetsu Anan, Kiyoshi Ichimoto, Kazuya Shinoda, Tomonori Tamura, Yoshifumi Nodomi, Satoshi Nakayama, Takuya Yamada, Takao Tajima, Shimpei Nakata, Yoshihito Nakajima, Kousei Okutani, Alex Feller, Jose Carlos del Toro Iniesta
Organizer
SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
Int'l Joint Research
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[Presentation] SUNRISE Chromospheric Infrared spectroPolarimeter (SCIP) for SUNRISE III: Scan mirror mechanism2020
Author(s)
Takayoshi Oba, Toshifumi Shimizu, Yukio Katsukawa, Masahito Kubo, Fumihiro Uraguchi, Toshihiro Tsuzuki, Tomonori Tamura, Kazuya Shinoda, Kazuhide Kodeki, Kazuhiko Fukushima, Achim Gandorfer, Jose Carlos del Toro Iniesta
Organizer
SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
Int'l Joint Research
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[Presentation] Sunrise Chromospheric Infrared spectroPolarimeter (SCIP) for SUNRISE III: optical design and performance2020
Author(s)
Toshihiro Tsuzuki, Yukio Katsukawa, Fumihiro Uraguchi, Hirohisa Hara, Masahito Kubo, Yoshifumi Nodomi, Yoshinori Suematsu, Yusuke Kawabata, Toshifumi Shimizu, Achim M. Gandorfer, Alex J. Feller, Bianca Grauf, Sami K. Solanki, Jose Carlos del Toro Iniesta
Organizer
SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
Int'l Joint Research
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[Presentation] Sunrise Chromospheric Infrared spectroPolarimeter (SCIP) for SUNRISE III: opto-mechanical analysis and design2020
Author(s)
Fumihiro Uraguchi, Toshihiro Tsuzuki, Yukio Katsukawa, Hirohisa Hara, Satoru Iwamura, Masahito Kubo, Yoshifumi Nodomi, Yoshinori Suematsu, Yusuke Kawabata, Toshifumi Shimizu, Achim Gandorfer, Jose Carlos del Toro Iniesta
Organizer
SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
Int'l Joint Research
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[Presentation] Sunrise Chromospheric Infrared SpectroPolarimeter (SCIP) for sunrise III: system design and capability2020
Author(s)
Katsukawa, del Toro Iniesta, Solanki, Kubo, Hara, Shimizu, Oba, Kawabata, Tsuzuki, Uraguchi, Nodomi, Shinoda, Tamura, Suematsu, Ishikawa, Kano, Matsumoto, Ichimoto, Nagata, Quintero Noda, Anan, Orozco Suarez, Balaguer Jimenez, Lopez Jimenez, Cobos Carrascosa, Feller, Riethmuller, Gandorfer, Lagg
Organizer
SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
Int'l Joint Research
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