FY 2013 Annual Progress Report and FY 2014 Annual Program Plan

140 Pages·2013·3.2 MB·English

Submitted to the National Science Foundation under
Cooperative Agreement No. 0946422
and Cooperative Support Agreement No. 0950946

This report is also published on the NSO Web site: http://www.nso.edu

The National Solar Observatory is operated by the
Association of Universities for Research in Astronomy, Inc. (AURA) under
cooperative agreement with the National Science Foundation
NATIONAL SOLAR OBSERVATORY

MISSION 
The  mission  of  the  National  Solar  Observatory  (NSO)  is  to  provide 
leadership and excellence in solar physics and related space, geophysical, 
and astrophysical science research and education by providing access to 
unique  and  complementary  research  facilities  as  well  as  innovative 
programs  in  research  and  education  and  to  broaden  participation  in 
science. 
NSO accomplishes this mission by: 
 providing  leadership  for  the  development  of  new  ground‐based  facilities  that 
support the scientific objectives of the solar and space physics community; 
 advancing  solar  instrumentation  in  collaboration  with  university  researchers, 
industry, and other government laboratories; 
 providing background synoptic observations that permit solar investigations from 
the ground and space to be placed in the context of the variable Sun; 
 providing research opportunities for undergraduate and graduate students, helping 
develop  classroom  activities,  working  with  teachers,  mentoring  high  school 
students, and recruiting underrepresented groups; 
 innovative staff research. 

RESEARCH OBJECTIVES 

The broad research goals of NSO are to: 
o Understand the mechanisms generating solar cycles – Understand mechanisms 
driving the surface and interior dynamo and the creation and destruction of 
magnetic fields on both global and local scales. 
o Understand the coupling between the interior and surface – Understand the 
coupling between surface and interior processes that lead to irradiance variations 
and the build‐up of solar activity. 
o Understand the coupling of the surface and the envelope: transient events – 
Understand  the  mechanisms  of  coronal  heating,  flares,  and  coronal  mass 
ejections which lead to effects on space weather and the terrestrial atmosphere.  
o Explore  the  unknown  –  Explore  fundamental  plasma  and  magnetic  field 
processes on the Sun in both their astrophysical and laboratory context. 
NSO FY 2013 Annual Progress Report & FY 2014 Program Plan
NATIONAL SOLAR OBSERVATORY

TABLE OF CONTENTS 
EXECUTIVE SUMMARY ....................................................................................................................... 1 
1   INTRODUCTION............................................................................................................................... 5 
2   FY 2013 SCIENTIFIC RESEARCH & DEVELOPMENT HIGHLIGHTS ................................... 6 
2.1   Full‐Disk Nonlinear Force‐Free Field Extrapolation – Comparing SOLIS/VSM  
and SDO/HMI Magnetograms .......................................................................................... 6 
2.2   The Quasi‐Biennial Periodicity as a Window on the Solar Magnetic Dynamo 
  Configuration (the Sunʹs Two‐Year Period and Its Drivers) ......................................... 7 
2.3   Active  Regions  with  Superpenumbral  Whirls and Their Subsurface  
        Kinetic Helicity ..................................................................................................................... 8 
2.4   He I Vector Magnetometry of Field‐Aligned Superpenumbral Fibrils ........................ 8 
2.5  1565 nm Observations of the Transit of Venus, Proxy for a Transiting Exoplanet ...... 9 
2.6  Velocity and Magnetic Field Distribution in a Forming Penumbra ............................ 10 
2.7  The Properties of Flare Kernels Observed by the Dunn Solar Telescope ................... 11 
3   SCIENTIFIC AND KEY MANAGEMENT STAFF ..................................................................... 13 
4   SUPPORT TO PRINCIPAL INVESTIGATORS AND THE SOLAR‐TERRESTRIAL     
PHYSICS COMMUNITY ................................................................................................................ 16 
4.1  Dunn Solar Telescope ......................................................................................................... 17 
4.1.1  Adaptive Optics ................................................................................................................ 18 
4.1.2  DST Instrumentation ....................................................................................................... 19 
4.1.3  Replacements and Upgrades .......................................................................................... 21 
4.1.4  Current and Future Use of the DST ............................................................................... 22 
4.1.5  Divestiture Planning ........................................................................................................ 22 
4.2  McMath‐Pierce Solar Telescope ................................................................................. 22 
4.2.1 Diverse Observing Capabilities ....................................................................................... 23 
4.2.2  Divestment or Closure of the McMP ............................................................................. 23 
4.2.3 Impacts of Early Closure of the McMP .......................................................................... 24 
4.2.4  Collaboration with the New Solar Telescope Cyra Development ............................. 24 
4.2.5 Current Programs .............................................................................................................. 25 
4.3  NSO Integrated Synoptic Program ................................................................................... 26 
4.3.1  NISP Instrumentation ...................................................................................................... 26 
4.3.2   NISP Data Products ........................................................................................................ 27 
4.3.3   NISP Status  ..................................................................................................................... 28 
4.3.4   NISP 2014 Goals .............................................................................................................. 30 
4.4  Evans Solar Facility ............................................................................................................. 31 
4.5  Access to NSO Data ............................................................................................................ 31 
NSO FY 2013 Annual Progress Report & FY 2014 Program Plan
NATIONAL SOLAR OBSERVATORY

5   INITIATIVES: THE ATST AND THE NEW SYNOPTIC NETWORK ................................... 34 
5.1  Advanced Technology Solar Telescope (ATST) ............................................................. 34 
5.1.1  ATST Science Working Group and Science Requirements ........................................ 36 
5.1.2  ATST Project Engineering and Design Progress .......................................................... 38 
5.1.3  Funding   ..................................................................................................................... 41 
5.2  A Multi‐Purpose Global Network .................................................................................... 43 
6  EDUCATION AND PUBLIC OUTREACH AND BROADENING PARTICIPATION ....... 47 
6.1  Goals and Metrics ............................................................................................................... 47 
6.2  Recruiting a New Generation of Scientists ...................................................................... 50 
6.3  Increasing Diversity ............................................................................................................ 51 
6.3.1 Near‐Term Goals: .............................................................................................................. 52 
6.3.2  Long(er)‐Term Goals: ....................................................................................................... 52 
6.4  Public Outreach ................................................................................................................... 54 
6.4.1 Visitor Centers ................................................................................................................... 54 
6.4.2  Internet Resources and Public Web Pages .................................................................... 54 
7  FY 2014 PROGRAM IMPLEMENTATION ................................................................................... 55 
7.1  NSO  Organization ............................................................................................................. 55 
7.1.1  Director’s Office ................................................................................................................ 55 
7.1.2  NSO/Sacramento Peak ..................................................................................................... 55 
7.1.3  NSO Tucson and NSO Synoptic Program .................................................................... 56 
7.1.4  NSO ATST   ..................................................................................................................... 57 
7.2  Planning for the Future Organization of NSO ................................................................ 57 
7.3  FY 2014 Spending Plan ....................................................................................................... 58 
7.3.1  Total Budget  ..................................................................................................................... 58 
7.3.2  Work Package Break Out ................................................................................................ 61 
7.4  Infrastructure Plan and Strategic Needs .......................................................................... 65 
7.4.1   FY 2014 Unfunded Infrastructure Improvement Requests ....................................... 66 
APPENDICES ......................................................................................................................................... 69 
APPENDIX A:.  NATIONAL SOLAR OBSERVATORY 2020–2025 VISION ......................... 70 
APPENDIX  B:  OBSERVING AND USER STATISTICS .............................................................. 72 
APPENDIX C:  ORGANIZATIONAL PARTNERSHIPS ............................................................... 75 
C1.  Community Partnerships and NSO Leadership Role .............................................. 75 
C2.  Operational Partnerships .............................................................................................. 76 
NSO FY 2013 Annual Progress Report & FY 2014 Program Plan
NATIONAL SOLAR OBSERVATORY

APPENDIX  D:  PUBLICATIONS (OCTOBER 2012 THROUGH SEPTEMBER 2013) ............. 77 
APPENDIX  E:  MILESTONES FY 2014 ............................................................................................. 90 
APPENDIX  F:  STATUS OF FY 2013 MILESTONES ..................................................................... 94 
APPENDIX G:  NSO FY 2014 STAFFING SUMMARY ................................................................ 103 
APPENDIX H:  SCIENTIFIC STAFF RESEARCH AND SERVICE ........................................... 104 
APPENDIX I:  ACRONYM GLOSSARY ......................................................................................... 129 

NSO FY 2013 Annual Progress Report & FY 2014 Program Plan
NATIONAL SOLAR OBSERVATORY

EXECUTIVE SUMMARY 
The National Solar Observatory (NSO) is the primary provider of key ground‐based solar 
facilities to the US solar community.  NSO currently provides a range of assets that allow solar 
astronomers to probe all aspects of the Sun, from the deep interior to its interface in the corona 
with the interplanetary medium.  NSO provides scientific and instrumentation leadership in 
helioseismology, synoptic observations of solar variability, and high‐resolution studies of the 
solar atmosphere in the visible and infrared.  

Major components of the National Solar Observatory strategic planning include:  
 Developing the 4‐meter Advanced Technology Solar Telescope (ATST) on behalf of, and 
in collaboration with, the solar community.  
 Development of the adaptive optics (AO), multi‐conjugate AO (MCAO), and infrared (IR) 
technology needed for the ATST.  
 Operating the Dunn Solar Telescope (DST) and maintaining its competitiveness through 
adaptive optics, MCAO and state‐of‐the‐art instrumentation until the ATST nears first 
light.  
 Helping the scientific consortium that plans to assume operation of the McMath‐Pierce 
Solar Telescope (McMP) in a timely fashion to meet the NSF mandate to divest or close 
the facility. 
 Finding organizations (such as the Southern Rockies Education Centers or universities 
with potential interest) to assume operation of Sacramento Peak and a logical transition 
for the Dunn Solar Telescope. 
 Operating  a  suite  of  instruments  comprising  the  NSO  Integrated  Synoptic  Program 
(NISP).  This includes the Synoptic Optical Long‐term Investigation of the Sun (SOLIS) 
and the Global Oscillation Network Group (GONG). 
 Establishing funding partners for the operation of NISP. 
 Developing partnerships to establish a multi‐station synoptic network. 
 Increasing diversity of the solar workforce. 
 An orderly transition to a new NSO structure, which can efficiently operate ATST and 
NISP and continue to advance the frontiers of solar physics. This new structure will have 
its headquarters collocated with the University of Colorado, Boulder and will integrate 
the NSO staff currently divided between sites at Sunspot, New Mexico and in Tucson, 
Arizona. 

Some of the programmatic highlights of the NSO program in FY 2014 include: 
 Continuation of ATST construction on Haleakalā. 
 Increasing the NSO footprint at the University of Colorado, Boulder (CU‐Boulder). 
1 NSO FY 2013 Annual Progress Report & FY 2014 Program Plan
NATIONAL SOLAR OBSERVATORY

 Delivery of several ATST key components such as the telescope enclosure and the high‐
order AO real‐time hardware.   
 Continue the Service Mode tests at the Dunn Solar Telescope and study possible ways to 
improve user experience, providing help to the PIs with the data reduction pipelines.  
 Appointment of a new ATST Data Center Project Manager. 
 Appointment of a transition team and a single point of contact with CU. 

A few of the major actions to advance solar physics that NSO will undertake in FY 2014 include: 
 Continuing  the  construction  of  ATST  through  the  NSF  Major  Research  Equipment 
Facilities Construction (MREFC) program. 
 Developing  a  complete  transition  plan  for  NSO  during  the  period  2015‐2017  that 
describes the various steps and milestones needed to have the institution relocated to the 
Boulder and Maui facilities.   
 Working toward the responsible divestiture of the McMath‐Pierce Telescope Facility and 
Sacramento Peak. 
 Continuing early moves to Boulder by leasing office space at the CU‐Boulder Laboratory 
for Atmospheric and Space Physics (LASP). 
 Providing specifications to LASP for the NSO needs in remodeling the 3rd floor of the new 
LASP building. 
 Continuing to work with CU‐Boulder on faculty appointments. 
 Conducting additional testing of service‐mode observations at the Dunn Solar Telescope. 
 Finishing the SOLIS program by reaching full functionality of the vector spectromagneto‐
graph (VSM) guider and installing and calibrating the visible tunable filter (VTF).  
 Initiating  the  upgrade  of  the  SOLIS  VSM  for  chromospheric  vector  magnetic  field 
measurements as requested by the solar community 

Figure 1 summarizes NSO’s FY 2014 program plans. In the President’s budget released in 
February 2013, NSO’s FY 2014 budget remains flat at $8M.  This will continue to put pressure 
on current operations.  Implementation of the NSF Portfolio Review made it clear that we 
should work toward divestiture of current facilities by the end of FY 2017.  Closure of the DST 
before ATST is on line leaves a gap in US high‐resolution capabilities.  We will work with the 
Big Bear Solar Observatory (BBSO) and the European community to obtain access for the US 
community to their facilities, and we will work with the NSF to understand how to pay for such 
access. A DST Data Center that contains the observations compiled during the service‐ mode 
activities is being studied as a possible way to offer the community access to high‐spatial 
resolution data during the gap until ATST becomes fully functional.  

Early closure of the McMP eliminates NSO capabilities beyond ~2 microns, which will be an 
important wavelength regime for the ATST.  Until the advent of the ATST, these capabilities 
will only be accessible to tha US community at the NJIT BBSO New Solar Telescope (NST). 
2 NSO FY 2013 Annual Progress Report & FY 2014 Program Plan
NATIONAL SOLAR OBSERVATORY

The ATST project has begun construction on Maui and has contracts in place for all of its major 
components. Rapid progress on the enclosure is being made. Its shipment is expected to occur 
in 2014.  Delivery of some items has begun.  The Visible Broadband Imager (VBI), which serves 
as a pathfinder for the other ATST instruments, had its final design review (FDR) and many of its 
parts  have  been  manufac‐tured  and  tested.    Critical  design  reviews  (CDR)  for  other  ATST 
instruments have been scheduled in 2014. 

The NSO Integrated Synoptic Program was formed in July 2011, and combines the GONG and 
SOLIS programs.  These programs have similar scientific goals and share a number of technical 
approaches; thus the merger has resulted in improved system efficiency and increased scientific 
synergy.  Bringing NISP from a budget level of over $4M to $2M will seriously reduce the level 
of support  NSO can provide this important program. Additional non‐astronomy funding is 
being actively sought. 

NSO’s FY 2014 spending plan (Section 7) attempts to accommodate the reduced budget while 
still supporting the user community and an ATST operations model.  To ensure that the next 
generation  that  will  form  the  core  of  ATST  users  is  well  trained,  NSO  will  support  the 
resurgence of significant interest in producing high‐resolution images with existing facilities 
using adaptive optics and new diffraction‐limited instruments.  To support the importance the 
Solar and Space Physics Decadal Survey placed on synoptic measurements, NSO will work with 
other agencies to find the funding needed to support a robust NISP program. 

3 NSO FY 2013 Annual Progress Report & FY 2014 Program Plan
NATIONAL SOLAR OBSERVATORY

NSO 2014 Program

 ATST

  o Continue construction on Haleakalā.
  o Develop concepts for ATST data center.

 Dunn Solar Telescope (all ATST related activities)

o Continue development of multi-conjugate adaptive optics (MCAO).

o Test bed for ATST instrument development.

o Conduct PI and service mode observations for the solar
  community.

 McMath-Pierce Solar Telescope

  o Begin to implement transition to consortium of users.
  o Continue IR observations.
  o Continue synoptic sunspot magnetic field strength measurements.
   NSO Integrated Synoptic Program (NISP)

o Operate SOLIS and GONG instruments.

o Develop partnerships for a synoptic network.

o Continue to seek outside operation funding.

   Digital Library and Virtual Solar Observatory
  o Begin transition of data storage to Boulder.

 New NSO Directorate Site and Staff Consolidation

o Negotiate with the University of Colorado, Boulder terms for the

lease of building space.

o Develop plans for relocation of staff.

   Education and Outreach and Broadening Participation
  o Train the next generation of solar astronomers (REU's, SRA's,
  thesis students, postdocs).
  o Coordinate with the Akamai Workforce Initiative and University of
  Hawai‘i Maui College on workforce development on Maui.
  o Increase outreach to underrepresented minorities.

Figure  1.  Planned and ongoing programs and projects at NSO.

4 NSO FY 2013 Annual Progress Report & FY 2014 Program Plan