STORMY : A Real-time Triggering Framework using Yamagawa Solar Spectrograph for Active Solar Emission Observations with the MWA

Resumen Técnico: STORMY – Un marco de activación en tiempo real para observaciones solares con el MWA

Planteamiento del problema
Las ráfagas de radio solares, que proporcionan información crítica sobre la física solar y el clima espacial, son inherentemente impredecibles, transitorias e infrecuentes. Los interferómetros de radio modernos como el Murchison Widefield Array (MWA), precursores del Square Kilometre Array (SKAO), ofrecen capacidades de imagen superiores pero están altamente sobreasignados. Depender de observaciones solares ciegas y programadas es ineficiente, lo que conlleva una alta probabilidad de perder eventos solares significativos. Aunque existen algoritmos de detección automatizada para datos de archivo, estos suelen ser inadecuados para la activación en tiempo real porque requieren que la morfología completa del evento esté presente antes de generar un activador (trigger). Se necesita un marco robusto y de baja latencia para utilizar el tiempo de observación limitado de manera efectiva, capturando la actividad solar solo cuando se detecta en tiempo casi real.

Metodología
Los autores desarrollaron STORMY (Solar Triggered Observations of Radio bursts using MWA and Yamagawa), un marco de activación en tiempo real diseñado para el MWA. El sistema opera bajo el siguiente flujo de trabajo:

1. Fuente de datos y gestión de latencia:

   • El activador se deriva de datos en tiempo casi real del Espectrógrafo Solar Yamagawa (Japón), que opera en la banda de 70 MHz–9 GHz. Debido a longitudes similares, la ventana de observación de Yamagawa se solapa completamente con la del MWA (80–300 MHz).
   • El sistema utiliza un flujo de datos personalizado de Yamagawa con una latencia de 2 minutos.
   • Para mitigar la pérdida de datos causada por esta latencia, el MWA mantiene un buffer de anillo de voltaje (que almacena hasta 160 segundos de datos de voltaje bruto). Cuando se recibe un activador, el buffer se congela y se vuelca al disco, lo que permite la recuperación de la fase inicial del evento solar que ocurrió antes de la llegada del activador.

2. Pipeline de preprocesamiento:

   • Corrección de paso de banda (Bandpass Correction): El espectro dinámico bruto se normaliza utilizando un paso de banda de mediana calculado a partir de datos completos de días anteriores (divididos en fragmentos de 180 segundos) para eliminar las respuestas espectrales instrumentales.
   • Mitigación de RFI: El sistema emplea algoritmos específicos para eliminar la Interferencia de Radiofrecuencia (RFI):
     • RFI Periódica: Identificada mediante búsqueda de picos con una periodicidad de 300 segundos y eliminada.
     • RFI Persistente de Banda Estrecha: Filtrada mediante un z-score modificado basado en la Desviación Absoluta de la Mediana (MAD) para evitar marcar señales solares genuinas.
     • RFI Transitoria: Abordada mediante operaciones morfológicas.
   • Sustracción de Fondo: Se aplica un filtro de mediana móvil (ancho de ventana de 1800 segundos) para restar el ruido de fondo que varía lentamente (ganancia instrumental, temperatura del sistema, Sol tranquilo).

3. Detección de eventos:

   • Se genera un espectro dinámico de Relación Señal-Ruido (SNR).
   • Se crea un espectro dinámico binario utilizando un umbral de 13σ (determinado para optimizar el equilibrio entre precisión y exhaustividad/recall).
   • Cierre Morfológico: Una operación de cierre morfológico de dos pasos (dilatación seguida de erosión usando un núcleo de 2×2) rellena los píxeles faltantes causados por el marcado de RFI.
   • Detección de Contornos: Los contornos cerrados se identifican mediante OpenCV. Los eventos se validan si abarcan al menos 15 MHz en frecuencia y 3 segundos en tiempo.

4. Activación y Observación:

   • Tras la detección, un mecanismo basado en la web activa el MWA.
   • El sistema estima la extensión espectral de la ráfaga y configura el ancho de banda de 30.72 MHz del MWA para cubrir el rango de frecuencia detectado, añadiendo bandas de guarda (30 MHz por debajo, 10 MHz por encima) para dar cuenta del desplazamiento espectral y emisiones más débiles.
   • El MWA cambia a un modo de "picket fence" (fragmentos de frecuencia espaciados logarítmicamente) para la observación activada.

Contribuciones Clave

• Desarrollo de STORMY: La primera implementación de un marco de activación en tiempo casi real específicamente para ráfagas de radio solares utilizando los datos de MWA y Yamagawa.
• Innovación Algorítmica: Un pipeline robusto que combina la reducción de ruido basada en la mediana, la eliminación de RFI mediante z-score modificado y el cierre morfológico para detectar ráfagas en flujos de datos ruidosos en tiempo real.
• Compensación de Latencia: Una demostración práctica del uso del buffer de anillo de voltaje del MWA para recuperar los datos de eventos perdidos durante la latencia de generación del activador (aprox. 70–80 segundos).
• Despliegue Operacional: El sistema se ha puesto en funcionamiento en el MWA para observaciones solares rutinarias.

Resultos

• Métricas de Rendimiento: Las pruebas en 8,400 fragmentos de datos de dos minutos (que contenían 226 eventos reales) mostraron que un umbral de 13σ produce el F1-score óptimo, equilibrando la precisión y la exhaustividad.
• Éxito Operacional: Entre el 31 de julio de 2024 y el 31 de enero de 2025, STORMY activó y observó con éxito aproximadamente 110 ráfagas solares.
• Casos de Estudio: El artículo presenta dos capturas exitosas:
  1. Una llamarada de rayos X de clase M el 1 de agosto de 2024, donde el sistema activó una observación a 126 MHz, capturando imágenes de radio consistentes con los datos de SDO/AIA.
  2. Un evento de Grupo Tipo III el 4 de noviembre de 2024, donde los datos del buffer se correlacionaron con éxito para producir una imagen de radio a 103 MHz superpuesta a los datos de LASCO C2.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que STORMY proporciona un medio robusto y eficiente para capturar datos interferométricos de actividad solar transitoria, abordando la ineficiencia de la programación ciega. Los autores enfatizan que este marco:

• Permite la captura eficiente de datos solares ricos en eventos con instrumentos existentes como el MWA, LOFAR y OVRO-LWA.
• Prepara el camino para la observación activada con el SKAO (específicamente SKA-Low). Los autores proponen que el concepto de "sub-array solar" para SKA-Low podría utilizar un buffering de voltaje y detección en tiempo real similares para activar observaciones de alto ancho de banda, minimizando el impacto en otras observaciones científicas mientras se maximiza la captura de eventos solares impredecibles.
• Demuestra que la activación solar es factible con la tecnología actual, ofreciendo una vía para optimizar la futura radioastronomía solar durante el actual máximo solar.