Observing the Sun from start to finish: Calibration, data reduction, and scientific exploitation of spectropolarimetric data for the Tunable Magnetograph

Abstract

En esta tesis se presenta una revisión completa del proceso de adquisición y análisis de observaciones solares. Comenzando con el diseño y la calibración del instrumento TuMag, a bordo de la misión Sunrise III, se detalla su operación y observaciones, el proceso de reducción de datos, los desafíos específicos asociados a los espectropolarímetros basados en Fabry-Pérot y, finalmente, se concluye con un ejemplo de análisis de datos enfocado en magnetogramas solares. La misión Sunrise III constituye el tercer vuelo del observatorio Sunrise, un telescopio solar de un metro de abertura que opera a una altitud de 37 km, sustentado por un globo estratosférico. En este tercer vuelo, el observatorio incorporó un conjunto completamente nuevo de instrumentos posfocales, incluyendo dos espectropolarímetros basados en espectroscopía de rendija: el Sunrise Chromospheric Infrared spectro-Polarimeter (SCIP) y el Sunrise Spectropolarimeter and Imager (SUSI), que operan en el infrarrojo cercano y el ultravioleta, respectivamente, junto con el magnetógrafo sintonizable (el Tunable Magnetograph ; TuMag), un espectropolarímetro basado en un etalón Fabry-Pérot que observa en el visible. Desarrollado íntegramente por la Red Española de Física Solar Aerospacial (S3PC, siglas en inglés de Spanish Space Solar Physics Consortium), TuMag es un espectropolarímetro imaginador capaz de observar tres líneas espectrales: Fe I 5250.2 Å, Fe I 5250.6 Å y Mg I b2 5172.7 Å. Las pruebas de calibración confirmaron su excepcional desempeño, con una calidad óptica superior a λ/10, una resolución espectral mejor que 9 pm y eficiencias polarimétricas cercanas al esquema ideal, lo que permite una relación señal a ruido superior a 1700 en mediciones del primer parámetro de Stokes, I. El vuelo de Sunrise III tuvo lugar entre los días 10 y 16 de julio de 2024, durante los cuales todos los subsistemas funcionaron casi a la perfección. Para el momento en que los datos fueron recibidos, los pasos principales del software de reducción estaban preparados, permitiendo comenzar el proceso de forma inmediata. Aunque este proceso continúa debido a la proximidad entre la recepción de los datos y la preparación de la tesis, los resultados preliminares demuestran la calidad excepcional de los datos obtenidos por TuMag. Algunos pasos del proceso de reducción son sencillos y de aplicación directa, sin embargo, algunos otros son de naturaleza más compleja y requieren de una atención más detallada. Un ejemplo de estos últimos es el de la corrección de los defectos instrumentales en interferómetros Fabry-Pérot. Mediante una observación simulada de una mancha solar con un etalón en configuración telecéntrica, demostramos la importancia de corregir adecuadamente los efectos del mapa de cavidades. Mostramos a su vez que las correcciones incompletas de los efectos causados por los defectos del etalón pueden generar errores en el cálculo de velocidades del orden de 200 m/s, y destacamos la relevancia de la corrección de campo plano para mitigar estos efectos. Adicionalmente, presentamos un algoritmo que modela el perfil de transmisión del etalón con el objetivo de mejorar la corrección de los efectos causados por los errores de cavidad en observaciones de campo plano, con el objetivo de optimizar las correcciones en espectropolarímetros basados en estos interferómetros, como pueden ser TuMag o SO/PHI. Una vez que los datos han sido completamente reducidos, están listos para su análisis científico. Para ilustrarlo, concluimos la tesis con una aplicación de homología persistente en magnetogramas solares, una técnica de análisis topológico de datos. Este enfoque demuestra cómo las características magnéticas se pueden identificar por sus características topológicas, lo que potencialmente habilita la detección automática de regiones de alta actividad con mayor probabilidad de erupciones solares.

In this thesis, we present a complete overview of the process of acquiring and analyzing solar observations. Centered around the design and calibration of the TuMag instrument aboard the Sunrise III mission, we proceed through its operations and observations, detail the data-reduction process, address specific challenges related to Fabry-Pérot-based spectropolarimeters, and conclude with an example of data analysis focusing on solar magnetograms. The Sunrise III mission is the third flight of the Sunrise observatory, a one-meter solar telescope operating at an altitude of 37 km, hanging from a stratospheric balloon. For this flight, the observatory introduced a completely new set of post-focal instruments. These include two slit-based spectropolarimeters, the Sunrise Chromospheric Infrared spectroPolarimeter (SCIP) and the Sunrise Spectropolarimeter and Imager (SUSI), operating in the near-IR and UV, respectively, alongside the Tunable Magnetograph (TuMag), an imaging spectropolarimeter operating in the visible. Developed entirely by the Spanish Space Solar Physics Consortium (S3PC), TuMag is a spectropolarimeter based on a Fabry-Pérot interferometer capable of observing three spectral lines: Fe I 5250.2 Å, Fe I 5250.6 Å, and Mg I b2 5172.7 Å. Calibration tests confirmed the TuMag’s exceptional performance, with optical quality exceeding λ/10, spectral resolution better than 9 pm, and polarimetric efficiencies close to ideal, enabling a signal-to-noise ratio (S/N) exceeding 1700 in Stokes I measurements. The Sunrise III flight occurred between the 10th and the 16th of July 2024, during which all subsystems operated nearly flawlessly. The main steps of the data-reduction pipeline were ready by the time of arrival of the data, allowing for a fast start of the reduction process. While ongoing due to the close timing of data arrival and thesis preparation, preliminary results showcase the exceptional quality of TuMag’s data. Although many steps in the reduction process are straightforward, certain corrections require more detailed attention. For instance, addressing instrumental artifacts in FPI-based spectropolarimeters is particularly challenging. By using a simulated sunspot observation with a telecentric FPI we demonstrate the importance of accurately correcting cavity map effects. We show that incomplete corrections can lead to velocity calculation of approximately 200 m/s and emphasize the role of flat-field correction in mitigating these effects. Additionally, we introduce an algorithm that models the etalon’s transmission profile to better correct cavity errors in flat-field observations, aiming to enhance corrections for telecentric FPI-based spectropolarimeters, such as TuMag or SO/PHI. Once the data have been thoroughly reduced, they become ready for scientific analysis. To illustrate this, we conclude with an application of persistent homology—a topological data analysis technique—on solar magnetograms. This approach demonstrates how magnetic features can be identified through their topological properties, potentially enabling the automatic detection of high-activity regions with elevated flaring probabilities.