[論文レビュー] Radial evolution of thermal and suprathermal electron populations in the slow solar wind from 0.13 to 0.5 au : Parker Solar Probe Observations

Joel B. Abraham, C. J. Owen+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 27被引用数 38

ひとこと要約

本研究は、0.13～0.5 auのパーカー太陽探査機データを分析し、ゆっくりした太陽風における熱的（コア）、超熱的（ハローおよびストラール）電子集団の径方向進化を特徴づける。独創的な機械学習を用いたフィッティング手法を用いることで、0.13～0.17 auの間でハロー集団が著しく増加するが、ストラール集団にそれに対応する減少は見られないことが明らかになった。これは従来のモデルに反し、太陽付近におけるハロー集団の非伝統的起源を示唆している。

ABSTRACT

We develop and apply a bespoke fitting routine to a large volume of solar wind electron distribution data measured by Parker Solar Probe (PSP) over its first five orbits, covering radial distances from 0.13 to 0.5 au. We characterise the radial evolution of the electron core, halo and strahl populations in the slow solar wind during these orbits. The fractional densities of these three electron populations provide evidence for the growth of the combined suprathermal halo and strahl populations from 0.13 to 0.17 au. Moreover, the growth in the halo population is not matched by a decrease of the strahl population at these distances, as has been reported for previous observations at distances greater than 0.3 au. We also find that the halo is negligible at small heliocentric distances. The fractional strahl density remains relatively constant ~1 % below 0.2 au, suggesting that the rise in the relative halo density is not solely due to the transfer of strahl electrons into the halo.

研究の動機と目的

• 0.3 au未満の太陽系距離におけるゆっくりした太陽風におけるコア、ハロー、ストラール電子集団の径方向進化を調査すること。
• 観測された超熱的電子集団の増加が、ストラールからハローへの粒子移動によるものか、あるいは他のメカニズムによるものかを特定すること。
• 電子速度分布関数（VDF）とそのずれを検討することで、太陽付近における準蒸気的太陽風モデルの妥当性を評価すること。
• ハローとストラールの相対的密度が等しくなるハロー–ストラールクロスオーバー点を特定し、電子集団ダイナミクスの転換を示すこと。
• 反ストラール方向におけるコア集団の欠損の存在とその径方向進化を検討し、宇宙空間の静電ポテンシャル効果と関連付けること。

提案手法

• パーカー太陽探査機の初5軌道におけるSPAN-E電子速度分布関数（VDF）データに、特化したフィッティングルーチンを適用した。
• Bakraniaら（2020）の機械学習アルゴリズムを統合し、電子VDFの折り目（breakpoints）を特定することで、コア、ハロー、ストラール成分の正確な分離を可能にした。
• マクスウェル分布（コア）、バイ・カッパ分布（ハロー）、場方向ビーム（ストラール）モデルの組み合わせを用いてVDFをフィットさせ、各集団の密度と温度を定量した。
• 0.13～0.5 auの範囲で、3つの電子集団の相対的密度、温度、および平均速度の径方向進化を追跡した。
• 統計的分析を用いて、特に平行方向の温度と速度に注目し、コアおよびストラール集団の等方性および非等方性を評価した。
• コアVDFにおける反ストラール方向の欠損を定量し、その径方向依存性を評価することで、準蒸気的モデルの予測を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゆっくりした太陽風において、0.13～0.5 auの範囲でコア、ハロー、ストラール電子集団の相対的密度はどのように径方向に進化するか？
• RQ2 0.25 au未満で観測されたハロー集団の増加は、一部のモデルが予測するようにストラール集団の減少を伴うか？
• RQ3 太陽付近におけるストラールの平行方向温度および平均速度の径方向挙動は何か？また、これはコロナ状態を保持しているか？
• RQ4 コアVDFにおける反ストラール方向の欠損は、小径の太陽系距離でも持続するか？また、その径方向依存性はいかなるものか？
• RQ5 ハロー集団がストラール集団を上回るようになる径方向距離は何か？これは電子分布関数の進化にどのような意味を持つのか？

主な発見

• コア電子集団は、測定されたすべての径方向距離で全電子密度の90%以上を占め、r−2の密度プロファイルに一致しており、断熱膨張を確認した。
• 相対的ハロー密度は、0.13 au近辺で無視できる程度の低さから0.22 auで約10%まで増加し、内太陽系における超熱的電子の著しい増加を示した。
• 0.2 au未満では相対的ストラール密度が約1%でほぼ一定であり、この距離ではストラール電子がハロー集団へのネット移動を示さないことが示された。
• ハローとストラールの相対的密度が等しくなるハロー–ストラールクロスオーバー点は、約0.22 auに位置し、電子集団の優位性の転換を示した。
• ハロー–ストラールクロスオーバー点より内側では、反ストラール方向にコア集団の明確な欠損が観測され、宇宙空間の静電ポテンシャル効果に一致する速度空間の切断を示唆した。
• ストラールの平行方向温度および平均速度は、0.13～0.5 auの範囲で誤差範囲内でほぼ一定であり、ストラールがコロナ源条件の情報を保持している可能性を支持した。