Calibrazione radiometrica in volo del coronografo Metis a bordo di Solar Orbiter. Primi risultati dalle immagini calibrate.

Solar Orbiter is a space mission with two important unique characteristics: it approaches the Sun with an elliptic orbit, up to a perihelion of 0.28 au, never reached before by solar missions carrying remote-sensing instrumentation, and it will observe the Sun and its atmosphere exiting the ecliptic plane (in 2025, up to about 30 degrees of heliolatitude). It is included in the Cosmic Vision 2015-2025 program of ESA and it is in collaboration with NASA. The launch of the spacecraft happened successfully on 10 February 2020. One of the scientific goals of the mission is the study of the solar corona, which represents the outermost layer of the solar atmosphere and which extends to the edges of our planetary system (the heliosphere) in the form of solar wind. The heliosphere provides a unique context for the observation of fundamental physical phenomena common to various disciplines such as solar physics, astrophysics, and plasma physics. The observations of Solar Orbiter are the key for linking the structures of the solar wind to the regions where they originate on the Sun and to achieve one of the scientific objectives of the mission, understanding the mechanism of creation and control of the heliosphere by the Sun, as the results from the Nominal Mission Phase have already shown. This and the other scientific objectives, together with a description of the mission, are the subject of the first chapter of this work. To achieve its scientific objectives, Solar Orbiter is equipped with 10 instruments, four for in-situ measurements and six for remote-sensing: the second category includes Metis, the coronagraph aboard, which for the first time provides simultaneous maps of the extended solar corona in the two main components of the plasma, hydrogen and electrons. In fact, Metis is equipped with two observation channels, one for measurements of total and polarized visible light (VL, pass band: 580-640 nm) and the other, the UV channel, in the narrow band at 121.6+/-10 nm around the H I Ly-alpha line. In the second chapter, I describe the scientific goals of Metis, its observation channels, and other features of the coronagraph. My main activity within the Metis team is the development of diagnostic tools useful to perform the radiometric calibration of the two channels and the analysis of acquired data. Thus, the third chapter is dedicated to the radiometric calibration of the VL channel I performed by using star observations, which is fundamental not only for producing calibrated data but also for understanding the performance of the channel. In fact, the radiometric calibration is necessary to obtain the absolute brightness of the solar corona from the imaging data acquired. Furthermore, it allows us to monitor the aging of the channel and to gain information on its point spread function (PSF). In the fourth chapter I describe the radiometric calibration of the UV channel, which exploits the same methodology. The topic of the fifth chapter is a first analysis of data calibrated using my measurements and results. I show the comparison between the total and polarized VL images of the solar corona acquired by Metis and STEREO-A/COR2 in November 2020 (superior conjunction of the instruments), and similarly, the comparison between the UV images acquired by Metis in 2020-2021 and UVCS aboard SOHO during the activity minimum of solar cycle 22 in 1996. I also describe the study of six eruptive events with exceptionally bright emission in H I Ly-alpha observed by Metis in 2021. In the last chapter, I summarize the work carried out and comment on the main results.

Solar Orbiter è una missione spaziale con due importanti caratteristiche uniche: si avvicina al Sole con un'orbita ellittica, fino a un perielio di 0,28 UA, mai raggiunto prima dalle missioni solari che trasportano strumentazione di remote-sensing, e osserverà il Sole e la sua atmosfera in uscita dal piano dell'eclittica (nel 2025, fino a circa 30 gradi di eliolatitudine). È incluso nel programma Cosmic Vision 2015-2025 dell'ESA ed è in collaborazione con la NASA. Il lancio del veicolo spaziale è avvenuto con successo il 10 febbraio 2020. Uno degli obiettivi scientifici della missione è lo studio della corona solare, che rappresenta lo strato più esterno dell'atmosfera solare e che si estende fino ai bordi del nostro sistema planetario (l'eliosfera) sotto forma di vento solare. L'eliosfera fornisce un contesto unico per l'osservazione di fenomeni fisici fondamentali comuni a varie discipline come la fisica solare, l'astrofisica e la fisica del plasma. Le osservazioni di Solar Orbiter sono la chiave per collegare le strutture del vento solare alle regioni dove si originano sul Sole e per raggiungere uno degli obiettivi scientifici della missione, comprendere il meccanismo di creazione e controllo dell'eliosfera da parte del Sole, come hanno già dimostrato i risultati della fase della missione nominale. Questo e gli altri obiettivi scientifici, unitamente alla descrizione della missione, sono oggetto del primo capitolo di questa tesi. Per raggiungere i suoi obiettivi scientifici, Solar Orbiter è dotato di 10 strumenti, quattro per misure in-situ e sei per il remote-sensing: la seconda categoria comprende Metis, il coronografo di bordo, che per la prima volta fornisce mappe simultanee della corona solare estesa nei due componenti principali del plasma, idrogeno ed elettroni. Metis è infatti dotato di due canali di osservazione, uno per la misura della luce visibile totale e polarizzata (VL, banda passante: 580-640 nm) e l'altro, il canale UV, in banda stretta a 121.6+/-10 nm attorno alla linea H I Ly-alfa. Nel secondo capitolo, descrivo gli obiettivi scientifici di Metis, i suoi canali di osservazione e altre caratteristiche del coronografo. La mia attività principale all'interno del team Metis è lo sviluppo di strumenti diagnostici utili per eseguire la calibrazione radiometrica dei due canali e l'analisi dei dati acquisiti. Il terzo capitolo è quindi dedicato alla calibrazione radiometrica del canale VL effettuata mediante osservazioni stellari, fondamentale non solo per produrre dati calibrati ma anche per comprendere le prestazioni del canale. Infatti, la calibrazione radiometrica è necessaria per ottenere la luminosità assoluta della corona solare dai dati di imaging acquisiti. Inoltre, ci permette di monitorare l'invecchiamento del canale e di ottenere informazioni sulla sua point spread function (PSF). Nel quarto capitolo descrivo la calibrazione radiometrica del canale UV, che sfrutta la stessa metodologia. L'argomento del quinto capitolo è una prima analisi dei dati calibrati utilizzando le mie misurazioni ei risultati. Mostro il confronto tra le immagini VL totali e polarizzate della corona solare acquisite da Metis e STEREO-A/COR2 nel novembre 2020 (congiunzione superiore degli strumenti), e analogamente, il confronto tra le immagini UV acquisite da Metis nel 2020- 2021 e UVCS a bordo di SOHO durante l'attività minima del ciclo solare 22 nel 1996. Descrivo anche lo studio di sei eventi eruttivi con emissione eccezionalmente brillante in H I Ly-alpha osservati da Metis nel 2021. Nell'ultimo capitolo riassumo il lavoro svolto e commento i principali risultati.