[論文レビュー] Electron Firehose instability and acceleration of electrons in solar flares

G. Paesold, A. O. Benz|DORA PSI (Paul Scherrer Institute)|Jan 14, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 3被引用数 43

ひとこと要約

本稿は、太陽耀斑プラズマにおける電子温度異方性 $T_\parallel^e > T_\perp^e$ による電子火炎ホース不安定性を調査し、平行方向の粒子加速によって誘発されるこうした異方性が、左回り円偏光波を駆動することを示している。斜めモードは平行モードよりも成長が速く、不安定性のしきい値を支配し、エネルギーを陽子に移譲することで電子のエネルギー増幅を制限する可能性がある。

ABSTRACT

An electron distribution with a temperature anisotropy T_par/T_perp > 1 can lead to the Electron Firehose instability (Here par and perp denote directions relative to the background magnetic field B_0). Since possible particle acceleration mechanisms in solar flares exhibit a preference of energizing particles in parallel direction, such an anisotropy is expected during the impulsive phase of a flare. The properties of the excited waves and the thresholds for instability are investigated by using linearized kinetic theory. These thresholds were connected to the pre-flare plasma parameters by assuming an acceleration model acting exclusively in parallel direction. For usually assumed pre-flare plasma conditions the electrons become unstable during the acceleration process and lefthand circularly polarized waves with frequencies of about the proton gyrofrequency are excited at parallel propagation. Indications have been found, that the largest growth rates occur at oblique propagation and the according frequencies lie well above the proton gyrofrequency.

研究の動機と目的

• 太陽耀斑の衝撃的段階における平行方向加速によって生じる電子温度異方性が、電子火炎ホース不安定性を引き起こすかどうかを調査すること。
• 現実的な前耀斑プラズマ状態下での不安定性のしきい値および波動特性を特定すること。
• 平行伝播モードと斜め伝播モードのうち、どちらのモードが不安定性成長率およびしきい値を支配するかを評価すること。
• 電子から陽子への波動エネルギー移譲が、太陽耀斑における電子加速の上限に与える影響を検討すること。

提案手法

• 磁化プラズマにおける電磁波の分散関係をモデル化するため、線形化された運動論理論が用いられる。電子分布関数は二重マクスウェル型を仮定する。
• 電子分布は異方的（$T_\parallel^e > T_\perp^e$）と仮定されるが、陽子は等方的で熱平衡状態にあるとされる。
• 背景磁界 $\mathbf{B}_0$ に対するさまざまな伝搬角（平行 $\Theta = 0^\circ$ および斜め角）について、分散方程式を数値的に解く。
• 周波数、成長率、偏光などの波動特性を、$n_e \sim 10^{10}\,\mathrm{cm}^{-3}$、$T \sim 0.1-20\,\mathrm{keV}$、$B_0 \sim 100-1000\,\mathrm{G}$ の範囲のプラズマパラメータで計算する。
• 成長率を比較し、伝搬角全体にわたる最も不安定なモードを特定することで、安定性のしきい値を評価する。
• 特に左回り偏光モードに対して、陽子サイクロトロン共鳴による波動エネルギー吸収の役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽耀斑の衝撃的段階で生成される電子温度異方性が、電子火炎ホース不安定性を引き起こす可能性があるか？
• RQ2 通常の前耀斑プラズマ状態下で、平行モードと斜めモードのどちらの波動モードが最も高い成長率を示すか？
• RQ3 異方的電子分布によって励起される最も不安定な波動モードの偏光および周波数は何か？
• RQ4 斜めモードの不安定性しきい値は平行モードと比べてどのように異なるか？また、平行モードに対して安定なプラズマが、斜めモードに対して不安定化する可能性はあるか？
• RQ5 波動放射を通じて電子から陽子へのエネルギー移譲が、太陽耀斑における電子エネルギーの最大値に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• 電子温度異方性 $T_\parallel^e > T_\perp^e$ を有するコロナプラズマでは、特に $\mathbf{B}_0$ に平行に加速が進行する場合に、電子火炎ホース不安定性が励起される。
• 平行伝播では、陽子サイクロトロン周波数 $|\Omega_p|$ に近い周波数の左回り円偏光波が励起される。
• 斜め伝播モード（$\Theta \approx 10^\circ$）は、平行モードよりも顕著に高い成長率を示し、不安定性の主な駆動要因となる。
• 斜めモードの不安定性しきい値は平行モードよりも低いため、平行モードに対して安定なプラズマでも、斜めモードに対して不安定化する可能性がある。
• サイクロトロン共鳴を通じてエネルギーが電子から陽子に移譲され、電子の冷却機構となり得るため、電子加速の上限を制限する可能性がある。
• 左回り円偏光の斜めモードは、電子火炎ホース不安定性の文脈でこれまでに検討されておらず、今後の研究が求められる。