[論文レビュー] Signatures of the non-Maxwellian $κ$-distributions in optically thin line spectra. II. Synthetic Fe XVII--XVIII X-ray coronal spectra and predictions for the Marshall Grazing-Incidence X-ray Spectrometer (MaGIXS)

Jaroslav Dudík, E. Dzifčáková+5 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 115被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、近い将来に打ち上げ予定のMaGIXSサブオービット望遠鏡分光計を用いて、Fe XVIIおよびFe XVIIIの合成X線スペクトルにおける非マクスウェル型κ分布の特徴を調査した。線強度比は両イオンにおいてκに非常に感受的であり（感度～30–50%）、MaGIXSとSDO/AIA 94 Åデータを併用することで感度が2–3倍に向上し、太陽フレア領域における電子エネルギー分布の非マクスウェル型逸脱を確実に検出可能となる。

ABSTRACT

We investigated the possibility of diagnosing the degree of departure from the Maxwellian distribution using the Fe XVII - Fe XVIII spectra originating in plasmas in collisional ionization equilibrium, such as in the cores of solar active regions or microflares. The original collision strengths for excitation are integrated over the non-Maxwellian electron $κ$-distributions characterized by a high-energy tail. Synthetic X-ray emission line spectra were calculated for a range of temperatures and $κ$. We focus on the 6-24 A spectral range to be observed by the upcoming Marshall Grazing-Incidence X-ray Spectrometer MaGIXS. We find that many line intensity ratios are sensitive to both $T$ and $κ$. Best diagnostic options are provided if a ratio involving both Fe XVII and Fe XVIII is combined with another ratio involving lines formed within a single ion. The sensitivity of such diagnostics to $κ$ is typically a few tens of per cent. Much larger sensitivity, of about a factor of two to three, can be obtained if the Fe XVIII 93.93 A line observed by SDO/AIA is used in conjuction with the X-ray lines. We conclude that the MaGIXS instrument is well-suited for detection of departures from the Maxwellian distribution, especially in active region cores.

研究の動機と目的

• 合成X線スペクトルを用いて、光学的薄いコロナプラズマにおける非マクスウェル型κ分布の検出可能性を評価すること。
• Fe XVIIおよびFe XVIIIの線強度比が温度（T）およびκパラメータの変化に対してどれほど感受的であるかを評価すること。
• MaGIXS観測において、κ分布とマクスウェル分布を区別するための最適な診断組み合わせを特定すること。
• MaGIXS X線線と、SDO/AIAから得られる高精度キャリブレーション済みFe XVIII 93.93 Å線を併用した協調的診断法の検討。
• コロナ加熱機構に伴うインパルス的で非熱的電子集団を制約するため、MaGIXS機器の観測予測を提供すること。

提案手法

• 温度範囲（log T ≈ 6.4–6.8 K）およびκ値範囲（2 ≤ κ ≤ 10）の下で、衝突イオン化平衡状態におけるFe XVIIおよびFe XVIIIの合成X線放射線スペクトルを計算した。
• Paper Iの手法に従い、CHIANTI v8の原子データを用いて、非マクスウェル型κ分布に沿った衝突強度を直接統合した。
• 線強度比を比対比法を用いて計算・分析し、Tおよびκに依存する関係を分離した。
• 診断の組み合わせを評価するために、T–κパrameter空間全域で1つの線比を別の線比に対してプロットし、κに高い感受性を示す領域を特定した。
• MaGIXS X線線比と、SDO/AIAの高時間分解能かつ高信頼性キャリブレーションを備えたFe XVIII 93.93 Å線強度を組み合わせることで感度を向上させた。
• dielectronic再結合補正が準位分布に与える影響を評価したが、フレア領域コア温度におけるκ分布効果と比較して無視できる程度であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe XVIIおよびFe XVIIIのX線線強度比は、κ分布で特徴づけられるマクスウェル型電子エネルギー分布からの逸脱に対してどの程度感受的か？
• RQ2 温度とのデゲネラシーを最小限に抑えるとともにκパラメータに最も感受的な線比の組み合わせは何か？
• RQ3 SDO/AIAのFe XVIII 93.93 Å線をMaGIXSデータに組み込むことで、非マクスウェル型κ分布の診断能力が顕著に向上するか？
• RQ4 絶対キャリブレーションの不確実性が、MaGIXSスペクトルにおけるκ分布特徴の検出にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 フレア領域条件下におけるMaGIXS観測可能なスペクトル帯域（6–24 Å）において、κ分布に起因する線強度比の変動の期待されるダイナミックレンジは何か？

主な発見

• Fe XVIIおよびFe XVIIIの両線を含む線強度比は、解析範囲の温度およびκ値において、κに約30–50%の感受性を示す。
• κに対する最高の診断感受性は、Fe XVII/Fe XVIII線比と、同一イオン内で形成された第二の線比を組み合わせた場合に達成され、温度とのデゲネラシーが最小限に抑えられる。
• SDO/AIA 93.93 Å Fe XVIII線と併用することで、極端な場合（例：κ = 2）において、X線線強度比のκに対する感受性が2–3倍に向上し、検出感度が著しく向上する。
• MaGIXSにおける強度不確実性の主因は光子ノイズであり、相対線比を用いるため絶対キャリブレーション誤差は制限要因とはならない。
• Fe XVIII 93.93 Å線は、MaGIXSとAIA間のクロスキャリブレーション課題を克服するための安定的で高時間分解能の基準を提供する。
• MaGIXS機器は、太陽フレア領域コアにおける非マクスウェル型κ分布の検出に適しており、インパルス的で非熱的加熱機構に対する直接的な観測的制約を提供する。