[論文レビュー] Investigating `dark' energy in the solar corona using forward modeling of MHD waves

Vaibhav Pant, Norbert Magyar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 67被引用数 46

ひとこと要約

本研究では、3次元磁気流体力学（MHD）シミュレーションを用いて、太陽コロナにおけるドップラー速度の振幅が小さく非熱的ライン幅が大きいという見かけ上の矛盾—以前は「暗黒」エネルギーに起因するとされてきた—が、解像度の低い横方向MHD波の視線方向（LOS）重ね合わせに起因することを示した。シミュレーションの結果、真の波エネルギーのうちわずか0.2–1%しかドップラー速度に捉えられておらず、残りのエネルギーは非熱的ライン幅に隠されていることが判明した。これにより、未知のエネルギー源の追加が必要であるという仮定は不要であることが示された。

ABSTRACT

It is now well established that the Alfv\'enic waves are ubiquitous in the solar corona. However, the Alfv\'enic wave energy estimated from the Doppler velocity measurements in the corona was found to be four orders of magnitude less than that estimated from non-thermal line widths. McIntosh & De Pontieu (2012) suggested that this discrepancy in energy might be due to the line-of-sight (LOS) superposition of the several oscillating structures, which can lead to an underestimation of the Alfv\'enic wave amplitudes and energies. McIntosh & De Pontieu (2012) termed this coronal `dark' or `hidden' energy. However, their simulations required the use of an additional, unknown source of Alfv\'enic wave energy to provide agreement with measurements of the coronal non-thermal line widths. In this study, we investigate the requirement of this unknown source of additional `dark' energy in the solar corona using gravitationally stratified 3D magnetohydrodynamic (MHD) simulations of propagating waves. We excite the transverse MHD waves and generate synthetic observations for the Fe XIII emission line. We establish that the LOS superposition greatly reduces the Doppler velocity amplitudes and increases the non-thermal line widths. Importantly, our model generates the observed wedge-shaped correlation between Doppler velocities and non-thermal line widths. We find that the observed wave energy is only 0.2-1\% of the true wave energy which explains 2-3 orders of magnitude of the energy discrepancy. We conclusively establish that the true wave energies are hidden in the non-thermal line widths. Hence, our results rule out the requirement for an additional `dark' energy in the solar corona.

研究の動機と目的

• ドップラー速度の測定値と非熱的ライン幅の間のエネルギー差異の起源を調査すること。
• 視線方向（LOS）の重ね合わせが、ドップラー速度と非熱的ライン幅の間の観測された楔型相関を説明できるかどうかを検証すること。
• 従来の仮説が示唆したように、コロナの波エネルギー予算を説明するために、追加の未知の「暗黒」エネルギー源が必要かどうかを特定すること。
• 重力的密度構造と波の減衰が、合成CoMP観測に類似したライン幅プロファイルの形状に与える影響を評価すること。
• 人工的なエネルギー成分を導入することなく、真の波振幅と非熱的ライン幅拡張の間の物理的関係を確立すること。

提案手法

• コロナに類似た磁場フラックスチューブ内を伝播する横方向アルフェン波の重力的密度構造を伴う3次元MHDシミュレーションを実施する。
• シミュレーション領域の下部（高さ50 Mm）で、コロナ波励起を模倣するための所定の波駆動源を用いて横方向MHD波を励起する。
• 放射輸送とイオン化平衡の計算を含むフォワードモデリング技術を用いて、Fe XIII 10749 Å線の合成観測を生成する。
• 視線方向（LOS）に沿った合成ドップラー速度の揺らぎと非熱的ライン幅を計算し、CoMP観測を模倣する。
• シミュレートされたドップラー速度の振幅と非熱的ライン幅を、特に楔型パターンを示す観測相関と比較する。
• 重力的密度構造を含まない制御シミュレーションを実施し、密度勾配と波の反射が非熱的幅拡張に与える影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 視線方向（LOS）の重ね合わせによる解像度の低い横方向MHD波運動が、太陽コロナにおけるドップラー速度振幅と非熱的ライン幅の間の観測された差異をどの程度説明できるか。
• RQ2 CoMP観測で観測されたドップラー速度揺らぎと非熱的ライン幅の間の楔型相関が、人工的なエネルギー源を追加せずに、現実的な3次元MHDシミュレーションで再現可能か。
• RQ3 真のアルフェン波エネルギーのうち、実際にドップラー速度測定に捉えられている割合はどの程度か。残りのエネルギーはどこに隠されているか。
• RQ4 非熱的ライン幅が高さに従って水平化する現象は、共鳴吸収や数値的粘性による波減衰によるものか、それとも主にLOS投影効果によるものか。
• RQ5 特に1.07 R⊙近辺において、光電離効果がシミュレーション領域内の合成Fe XIIIラインプロファイルに顕著な影響を与えるか。

主な発見

• 複数の振動するコロナ構造の視線方向（LOS）重ね合わせにより、ドップラー速度振幅は100–500倍小さくなり、波エネルギーの99–99.8%が低く見積もられることになる。
• 真のアルフェン波エネルギー流束のうち、わずか0.2–1%しかドップラー速度揺らぎに捉えられておらず、これが観測されたエネルギー差異の2–3桁分を説明している。
• 平均二乗（rms）ドップラー速度と非熱的ライン幅の間の楔型相関は、追加の未知のエネルギー源を必要とせず、シミュレーションで成功裏に再現された。
• 非熱的ライン幅は当初高さとともに増加し、その後密度勾配による波の反射によって水平化するが、波減衰やエネルギー損失機構によるものではない。
• Fe XIII線モデリングに光電離効果を組み込んでも結果に変化はなく、シミュレーション領域内（1.07 R⊙まで）では衝突励起が支配的であるため。
• 本研究では、未解決の波振幅が視線方向投影に隠されていることから、太陽コロナに追加の「暗黒」エネルギー源は必要ないことが明確に示された。