[論文レビュー] High Resolution Soft X-ray Spectroscopy and the Quest for the Hot (5–10 MK) Plasma in Solar Active Regions

G. Del Zanna, V. Andretta+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、太陽の活動領域における高温（5–10 MK）プラズマを診断するため、高分解能なソフトX線（SXR）分光計（90–150 Å）の導入を提唱している。6つの鉄のイオン化段階を狭いスペクトル窓内で同時に観測することで、電子密度および流れの性質を導出する。シミュレーションでは、良好な計数率と最小限のラインブレンドが得られ、冷却背景に対しても高温プラズマの放射を検出可能であり、これがコロナ加熱問題の解決に画期的である。

ABSTRACT

We discuss the diagnostics available to study the 5-10 MK plasma in the solar corona, which is key to understanding the heating in the cores of solar active regions. We present several simulated spectra, and show that excellent diagnostics are available in the soft X-rays, around 100 Angstroms, as six ionisation stages of Fe can simultaneously be observed, and electron densities derived, within a narrow spectral region. As this spectral range is almost unexplored, we present an analysis of available and simulated spectra, to compare the hot emission with the cooler component. We adopt recently designed multilayers to present estimates of count rates in the hot lines, with a baseline spectrometer design. Excellent count rates are found, opening up the exciting opportunity to obtain high-resolution spectroscopy of hot plasma.

研究の動機と目的

• 太陽活動領域における高温（5–10 MK）プラズマの高分解能分光診断を可能にすることで、未解決のコロナ加熱問題に取り組む。
• ソフトX線帯域（約100 Å）が、鉄（Fe VIIIからFe XVIII）の複数のイオン化段階を狭いスペクトル領域内で同時に観測可能な独自の窓を提供することを示す。
• この波長帯域における高スペクトル分解能および感度により、高温プラズマにおける質量運動、電子密度、およびイオン化平衡からの逸脱を解明できることを示す。
• 非フレア活動領域コアおよびフレアを研究するため、高分解能（5 km s⁻¹ドップラー分解能）、高感度、中程度の空間分解能（1′′）を備えた専用の宇宙機器SXR分光計の導入を提唱する。
• 先進的なマルチレイヤー光学およびCHIANTI原子データを用いてSXRスペクトルをシミュレートし、計数率を推定することで、将来的なミッションの科学的基盤を提供する。

提案手法

• Hinode/EISが観測した静止状態の3 MK活動領域ループの微分発光度（DEM）を基に、CHIANTI v.10原子データベースを用いてソフトX線スペクトル（90–147 Å）をシミュレートする。
• 高分解能分光法をモデル化するため、ピクセルサイズを0.01 Å、機器スペクトル分解能を0.025 Å FWHMとして設定する。
• 光球成分の元素比を用い、鉄の比を3.2倍に増加させて活動領域コアの放射をシミュレートする。
• 過去の太陽SXR観測（例：Manson 1972、Malinovsky & Heroux 1973）および実験室データと比較することで、ライン同一定名の妥当性を検証する。
• 最近開発されたマルチレイヤーミラーを用いて計数率を推定し、機器の実現可能性と感度を評価する。
• 30分の1に縮小したAクラスの8 MKマイクロフレアスペクトルを重ね合わせ、活動領域背景に対して高温ラインの検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 90–150 Å帯域における高分解能ソフトX線分光法は、5–10 MKプラズマにおける電子密度、平均流れ、乱流運動を安定して診断可能か？
• RQ2 狭いスペクトル窓内でFe VIIIからFe XVIIIまでの複数の鉄のイオン化段階を同時に観測することで、温度および密度診断がどの程度向上するか？
• RQ3 活動領域コアにおける冷却背景放射に対して、高温プラズマ放射ライン（例：Fe XVIII 94, 104 Å）はどの程度検出可能か？
• RQ4 ソフトX線帯域における高温プラズマラインの高SNR検出を達成するためには、どのような機器設計および感度が求められるか？
• RQ5 既存の原子データおよび実験測定値は、100 Å帯域における未同一定ラインの同一定およびキャリブレーションを十分に支援できるか？

主な発見

• シミュレートされたスペクトルから、90–110 Åおよび110–147 Å領域に、Fe XVIII（94, 104 Å）などの高温プラズマラインが多数存在し、ブレンドが最小限であることが判明。これにより、明確な診断が可能である。
• Fe XVIII 104 Åラインは、鉄の比が3.2倍に増加しているため、活動領域で強く発光し、高温プラズマの主要な診断ラインとなる。
• 先進的なマルチレイヤー光学を用いた計数率推定では、良好な結果が得られ、高温プラズマの高分解能分光法の実現可能性が極めて高いことが示された。
• コロナ背景放射が存在する領域においても、Fe XVIIIおよびFe XIXラインは、その特徴的なスペクトル位置とフレア時における冷却ラインの安定性により、検出可能である。
• 未同一定ライン（アスタリスクで示す）の存在は、特にCHIANTIに欠落しているニッケルXなどのイオンのための、より洗練された原子データの必要性を示唆している。
• 30分の1に縮小したAクラス8 MKマイクロフレアスペクトルは、活動領域背景に対して明確に識別可能であり、インパルス的加熱イベントの検出可能性が確認された。