[論文レビュー] On the influence of magnetic helicity on X-rays emission of solar and stellar coronae

J. Warnecke, Hardi Peter|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、3次元MHDシミュレーションを用いて、光球面における磁気ヘリシティの注入が増加することで、太陽型星のコロナ温度が上昇し、X線放射が立方則に従うことを示した。このメカニズムは、強化された水平磁場およびポインティングフラックスに起因し、磁気フラックス単体ではなくヘリシティ駆動加熱によって、観測された回転-活動関係が説明可能である。

ABSTRACT

Observation of solar-like stars show a clear relation between X-ray emission and their rotation. Higher stellar rotation can lead to a larger magnetic helicity production in stars. We aim to understand the relation between magnetic helicity on the surface of a star to their coronal X-ray emission. We use 3D MHD simulations to model the corona of the solar-like stars. We take an observed magnetogram as in photospheric activity input, and inject different values of magnetic helicity. We use synthesis emission to calculate the X-ray emission flux of each simulation and investigate how this scales with injected magnetic helicity. We find that for larger injected magnetic helicities an increase in temperature and an increase in X-ray emission. The X-ray emission scaled cubicly with the injected helicity. We can related this to increase of horizontal magnetic field and therefore higher Poynting flux at the coronal base. Using typical scaling of magnetic helicity production with stellar rotation, we can explain the increase of X-ray emission with rotation only by an increase of magnetic helicity at the surface of a star.

研究の動機と目的

• 太陽型星におけるコロナX線放射への磁気ヘリシティの影響を調査すること。
• 磁気ヘリシティが星の自転速度の増加に伴うX線輝度の上昇を単独で説明できるかどうかを特定すること。
• ヘリシティ注入とコロナ加熱・放射の間の物理的メカニズムを探索すること。
• 星の観測データから得られたスケーリング則と比較して、ヘリシティに伴うX線放射のスケーリングを検討すること。
• ポインティングフラックスおよび磁場トポロジーがコロナ加熱プロセスに果たす役割を評価すること。

提案手法

• 観測された光球磁場マップを境界条件として用いた、太陽コロナの3次元磁気流体力学（MHD）シミュレーションを実施する。
• さまざまなレベルの磁気ヘリシティを光球境界に注入することで、回転の影響を模擬する。
• AIAの応答関数を用いて合成X線およびEUV放射を計算し、観測された放射帯域をモデル化する。
• 注入ヘリシティ関数としてのコロナ温度および放射フラックスの分析を行い、スケーリング則を決定する。
• ヘリシティとエネルギー入力の関連を明確にするために、コロナ基部における水平磁場およびポインティングフラックスを計算する。
• 既知の星のスケーリング則（例：X線放射のT^{4.24}依存性）と照合して、シミュレーションを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光球面における磁気ヘリシティの注入が、星のコロナの温度およびX線放射にどのように影響を与えるか？
• RQ2 3次元MHDシミュレーションにおいて、注入された磁気ヘリシティとそれに対応するX線放射との間の関数的スケーリングは何か？
• RQ3 星の自転速度の増加に伴うX線輝度の上昇は、磁気ヘリシティの増加のみで説明可能か？
• RQ4 磁気ヘリシティはコロナ基部における水平磁場およびポインティングフラックスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 ヘリシティの増加に伴い、コロナ内の放射分布は変化するか？また、太陽の活動領域と比較してどのように異なるか？

主な発見

• X線放射は、注入された磁気ヘリシティに対して立方則に従い、強い非線形依存性を示した。
• 磁気ヘリシティの増加は、星のコロナで観測されたT^{4.24±0.14}依存性と整合する高いコロナ温度をもたらした。
• X線放射の上昇は、強化された水平磁場およびコロナ基部における増加したポインティングフラックスに起因した。
• シミュレーションは、コロナの励起状態および遷移領域放射のX線放射へのスケーリングを再現し、ヘリシティ駆動加熱モデルを支持した。
• 高ヘリシティ注入時には、X線放射が下部コロナに強く集中し、通常の太陽活動領域とは異なり、広がりのある放射プロファイルとは異なる。
• コロナ内での磁気ヘリシティの逆転はβ=1面と関連しないことが判明し、以前の理論的予想とは矛盾するが、他のシミュレーション研究とも整合した。