[論文レビュー] Heavy Coronal Ions in the Heliosphere: I. Global Distribution of Charge-states of C, N, O, Mg, Si and S

S. Grzȩdzielski, M. Wachowicz+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2008

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 39被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、太陽コロナからのC、N、O、Mg、Si、Sイオンの電荷状態の進化を、ヘリオスフィアシーストとヘリオスフィアテイルにまでモデル化し、宇宙空間の中性原子からの電子捕獲がその電荷状態を顕著に低下させることを示している。主な結果は、一価イオンがハリオポーズ付近に集中し、約1 keV/nucleonのエネルギーを持つENA（エネルギー中性原子）フラックスを生成することであり、これがピックアップイオン（PUI）および異常宇宙線（ACR）の主要な種群として機能する可能性がある。

ABSTRACT

Aims: Investigate/Study de-charging of solar wind C, N, O, Mg, Si and S ions and assess fluxes of resulting ENA in the heliosphere. Methods: The model treats the heavy ions as test particles convected by (and in a particular case also diffusing through) a hydrodynamically calculated background plasma flow, from 1 AU to the termination shock (TS), to heliosheath (HS) and finally to heliospheric tail (HT). The ions undergo radiative and dielectronic recombinations, charge exchanges, photo- and electron impact ionizations with plasma particles, interstellar neutral atoms (calculated on a Monte-Carlo model) and solar photons. Results: Highly-charged heavy coronal ions flowing with the solar wind undergo successive de-ionizations, mainly in the heliosheath, leading to charge-states much lower than in the supersonic solar wind. If Coulomb scattering is the main ion energy loss mechanism, the end product of these deionizations are fluxes of ENA of ~1 keV/nucleon originating in the upwind heliosheath that for C, Mg, Si and S may constitute sources of pickup ions (PUI) significantly exceeding the interstellar supply. Conclusions: Discussed processes result in (i) distinct difference of ion charge q in the supersonic solar wind (approximately q >= +Z/2, Z = atomic number) compared to that in the HS (approximately 0 <= q <= +Z/2)), (ii) probable concentration of singly ionized atoms (q = +1) in the heliosheath towards the heliopause (HP) and in the HT, (iii) possible significant production of ENA in the HS offering natural explanation for production of PUI, and -- after acceleration at the TS -- anomalous cosmic rays (ACR) of species (like C, Mg, Si, S) unable to enter the heliospheric cavity from outside because of their total ionization in the local interstellar medium.

研究の動機と目的

• 1 AUからヘリオスフィアテイルに至るまでの重イオン（C、N、O、Mg、Si、S）の電荷状態のグローバルな進化を調査すること。
• ヘリオシーストおよびその先で、電荷交換、再結合、イオン化過程がイオンの電荷状態をどのように再構成するかを評価すること。
• ヘリオシーストにおける電荷交換によって生成されるエネルギー中性原子（ENAs）のフラックスを評価し、ピックアップイオン（PUI）の種群としてのその可能性を検討すること。
• 特に、ヘリオスフィアにイオンとして到達できない低FIP元素（C、Mg、Si、Sなど）の異常宇宙線（ACR）生成に及ぼす影響を検討すること。
• イオンのエネルギーと電荷状態の進化を決定づける要因として、等方化（クーロン散乱）と熱化（集団的プラズマ効果）のシナリオを区別すること。

提案手法

• 太陽風の流体力学的計算に基づく流れによって運ばれる重イオンを、テスト粒子としてモデル化し、1 AUからヘリオスフィアテイルまでを扱う。
• 微分方程式系（式1）を用いて、電荷状態の時間的進化を追跡し、放射的・ダイエレクトロニック再結合、光イオン化、電子衝突イオン化、および電荷交換の各レートを含める。
• モンテカルロシミュレーションから得られる背景プラズマパラメータ（ne、np、vsw）および宇宙空間の中性原子HとHeの密度と速度（nH、nHe、vH）を組み込む。
• 主に宇宙空間の中性原子HとHeからの電子捕獲による電荷交換を考慮し、これはヘリオシーストにおける脱イオン化を支配する。
• 2つの極端な状況を分析する：等方化（クーロン散乱がイオンエネルギーを保存し、高い衝突率を生じる）と熱化（プラズマ波を介したエネルギー等衡化）。
• 等方化と熱化の両条件のもとで、ヘリオスフィア全域におけるさまざまな電荷状態のイオン密度分布の空間マップを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重イオンの電荷状態は、超音速太陽風からヘリオシーストおよびヘリオスフィアテイルに至る過程でどのように変化するか？
• RQ2 宇宙空間の中性原子との電荷交換は、ヘリオシーストにおける重イオンの脱イオン化にどの程度寄与するか？
• RQ3 約1 keV/nucleonのエネルギー領域におけるエネルギー中性原子（ENAs）のフラックスは、ピックアップイオン（PUI）の種群として十分に顕著なものとなるか？
• RQ4 イオンの等方化と熱化の仮定が、特定の電荷状態の空間的分布と濃度にどのように影響を及ぼすか？
• RQ5 外側ヘリオスフィアにおける観測された電荷状態分布は、C、Mg、Si、Sなどの低FIP元素の異常宇宙線（ACR）の起源をどの程度説明できるか？

主な発見

• 超音速太陽風中の重イオンは高い電荷状態（q ≥ +Z/2）を示すが、ヘリオシーストでは著しく低い状態（0 ≤ q ≤ +Z/2）に緩和され、電荷状態の再編成が顕著に起こっていることが示された。
• 一価イオン（q = +1）は、宇宙空間の中性原子からの効率的な電子捕獲のおかげで、特に上流方向にハリオポーズ付近に集中している。
• ヘリオシースト、特に上流ヘリオシーストで約1 keV/nucleonのエネルギーを持つENAsが生成され、専用機器で検出可能なフラックスを示す可能性がある。
• C、Mg、Si、SのENAsフラックスは、ヘリオシーストで宇宙空間の中性原子供給量を上回る可能性があり、外側ヘリオスフィアにおけるピックアップイオン（PUI）の主要な供給源となる。
• モデルは、等方化（クーロン散乱）が高衝突率と強い脱イオン化をもたらすために不可欠であると予測している。もしそのような効果が観測されない場合、エネルギー等衡化がプラズマ波を介して急速に進行していることを示唆する。
• 熱化条件下では、電荷状態の分布に徐々な空間的シフトと、明確な遷移を示さない特定の電荷状態の高密度「アイランド」が観察され、異なるプラズマ結合状態が示唆された。