[論文レビュー] Hot prominence detected in the core of a Coronal Mass Ejection: III. Plasma filling factor from UVCS Lyman-$α$ and Lyman-$β$ observations

Roberto Susino, А. Бемпорад+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 27被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、SOHO/LASCO-C2（可視光）およびSOHO/UVCS（紫外線）の同時観測に基づき、爆発的プロミネンスにおける視線方向のプラズマ充填率を推定する手法を提案する。共鳴散乱および衝突励起モデルを1次元非局所熱力学的平衡（non-LTE）放射移動モデルの熱力学的パラメータと組み合わせることで、モデルと整合する充填率を導出。流れ速度には弱い感度を示すが、運動温度に強く依存し、光学的に薄い状態の発光条件下でこの手法が有効であることが検証された。

ABSTRACT

This work deals with the study of an erupting prominence embedded in the core of a CME and focuses on the derivation of the prominence plasma filling factor. We explore two methods to measure the prominence plasma filling factor that are based on the combination of visible-light and ultraviolet spectroscopic observations. Theoretical relationships for resonant scattering and collisional excitation are used to evaluate the intensity of the H I Lyman-α and Lyman-β lines, in two prominence points where simultaneous and cospatial LASCO-C2 and UVCS data were available. Thermodynamic and geometrical parameters assumed for the calculation are provided by both observations and the results of a detailed 1D non-LTE radiative-transfer model of the prominence, developed in our previous work (Heinzel 2016). The filling factor is derived from the comparison between the calculated and the measured intensities of the two lines. The results are then checked against the non-LTE model in order to verify the reliability of the methods. The resulting filling factors are consistent with the model in both the prominence points when the separation of the radiative and collisional components of the total intensity, required to estimate the filling factor, is performed using both the line intensities. An exploration of the parameter space shows that the results are weakly sensitive to the plasma velocity, but they depends more strongly on the assumed kinetic temperatures. The combination of visible-light and ultraviolet Lyman-α and Lyman-β data can be used to approximately estimate the geometrical filling factor in erupting prominences, but the proposed techniques are reliable only for emission that is optically thin in the lines considered, condition that is not in general representative of prominence plasma.

研究の動機と目的

• 可視光および紫外線観測を用いて、爆発的プロミネンスにおける視線方向幾何的充填率を推定するモデル依存の手法を開発すること。
• Lyman-αおよびLyman-βの強度を可視光の偏光輝度（pB）と組み合わせることで、充填率を推定する手法の信頼性を検証すること。
• 流れ速度や運動温度といった主要なプラズマパラメータへのこの手法の感度を評価すること。
• 詳細な1次元非局所熱力学的平衡（non-LTE）放射移動モデルによるプロミネンス構造と照合して、この手法の妥当性を検証すること。
• より詳細なモデリングを支援するための、実用的で初期のパラメータ推定ツールを提供すること。

提案手法

• 中性水素のLyman-αおよびLyman-β線における共鳴散乱および衝突励起の理論的関係を利用する。
• 観測およびモデル化された熱力学的・幾何的パラメータを用いる：電子密度の縦断密度、運動温度、流れ速度、コア層からの線強度、視線方向に沿ったプロミネンス厚さ。
• 計算されたLyman線強度と、UVCSおよびLASCO-C2で測定された強度を比較し、強度比解析によって充填率を導出する。
• 2通りの手法を適用：LyαおよびLyβ強度を用いて、放射線成分と衝突励起成分を分離する方法。
• 先行研究（Heinzel et al. 2016）の1次元非局所熱力学的平衡（non-LTE）放射移動モデルの結果と照合し、一貫性を確認する。
• Doppler減光係数および線プロファイルの仮定を用いて、パラメータ空間の探索を実施し、流れ速度および運動温度への感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UVCSのLyman-αおよびLyman-β強度とLASCO-C2のpB観測を組み合わせることで、プロミネンスのプラズマ充填率を信頼性高く推定できるか？
• RQ2 推定された充填率は、プラズマの流れ速度の不確実性に対してどの程度感度を示すか？
• RQ3 コア層線プロファイルおよび非熱的運動に関する仮定が、充填率推定にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 この手法は、プロミネンスプラズマに一般的に見られる光学的に薄い発光条件下で頑健に機能するか？
• RQ5 このアプローチは、より詳細なモデリングを支援するための信頼性のある初期推定値を提供できるか？

主な発見

• 放射線成分と衝突励起成分をLyαおよびLyβデータを用いて分離した場合、両プロミネンス点において、非局所熱力学的平衡（non-LTE）モデルの結果と整合する充填率が得られた。
• この手法は、仮定されたプラズマの流れ速度に対してはわずかな依存性を示し、100–300 km s⁻¹の速度範囲で強度比F(α)/F(β)が30%未満で変動した。
• 充填率の推定値は、仮定された運動温度に強く依存しており、これは衝突係数およびイオン化分率に影響を与えるためである。
• 有効温度（線プロファイル幅に関連）の変動が、充填率に15%未満の変化を引き起こすにとどまり、このパラメータへの感度は低いことが示された。
• この手法は、光学的に薄い発光条件下でのみ信頼性が保証されるため、一般にプロミネンスプラズマに見られる状態とは一致せず、一般応用の範囲が制限される。
• この技術は、充填率の妥当な一次近似を提供でき、より詳細なプロミネンスパラメータモデリングの初期推定値として有効である。