[論文レビュー] Signatures of the non-Maxwellian $\kappa$-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 114被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、近い将来のMaGIXSサブオービットミッションに向け、太陽の活動領域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、Fe XVIIおよびFe XVIIIの合成X線スペクトルを用いて調査している。6–24 Åの波長範囲におけるライン強度比を分析することで、Fe XVII/Fe XVIII比とAIA 94 Å観測を組み合わせた併用診断法により、非熱的電子分布の偏りを2–3倍の感度で検出可能であり、コロナ加熱過程における非熱的電子集団の明確な診断が可能であることを示している。

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 $\kappa$-distributions characterized by a high-energy tail. Synthetic X-ray emission line spectra were calculated for a range of temperatures and $\kappa$. 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 $\kappa$. 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 $\kappa$ 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

• MaGIXSが太陽の活動領域コアにおける非マクスウェル型κ分布を検出するための診断的潜在能力を評価すること。
• κ分布が衝突イオン化平衡下でのFe XVIIおよびFe XVIIIの合成X線スペクトルに与える影響を評価すること。
• 温度Tおよびκの両方に感受性を示す最適なライン強度比を特定すること。
• MaGIXS X線データとSDO/AIA 94 Å観測によるFe XVIII 93.93 Åラインを組み合わせることで得られる感度の向上を検討すること。
• インパルス的で非熱的な電子集団の痕跡を検出することで、コロナ加熱機構を制約すること。

提案手法

• 温度（log T ≈ 6.4–6.8 K）およびκ値（2 ≤ κ ≤ 10）の範囲で、衝突イオン化平衡下におけるFe XVIIおよびFe XVIIIの合成X線スペクトルを計算した。
• Paper Iの手法を用い、κ分布に沿って衝突強度を直接統合し、CHIANTI v8の原子データを組み込んだ。
• MaGIXSのスペクトル分解能および感度に適した6–24 Å範囲のライン強度比を算出した。
• 比対比法を適用し、1つのライン比を別のライン比に対してプロットすることで、Tおよびκに依存する関係を分離した。
• 異なるκおよびT値におけるライン比の相対的変化を分析することで、κに対する感度を定量化した。
• SDO/AIAのFe XVIII 93.93 ÅラインとMaGIXS X線ラインを組み合わせることで、診断能力を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MaGIXSは、Fe XVIIおよびFe XVIII X線ライン比を用いて、マクスウェル型電子分布からの逸脱を検出可能か？
• RQ2 Fe XVIIおよびFe XVIIIのライン強度比は、κおよび温度Tの変化に対してどの程度感度を示すか？
• RQ3 MaGIXSスペクトル範囲（6–24 Å）において、κに最も感受性が高いライン比の組み合わせは何か？
• RQ4 MaGIXS X線データとSDO/AIA 94 Å観測によるFe XVIII 93.93 Åラインを組み合わせることで、κ診断にどの程度の感度向上が得られるか？
• RQ5 この温度領域において、dielectronic recombination補正は、κ分布効果と比較してライン比のκ感受性にどの程度の影響を与えるか？

主な発見

• 6–24 Å範囲の多くのFe XVIIおよびFe XVIIIのライン強度比は、温度Tおよびκの両方に感受性を示し、κに対する感受性は通常数10％のレベルである。
• 最も効果的な診断は、Fe XVII/Fe XVIIIライン比と、同一イオン内で形成されたライン比の組み合わせであり、κに対する感受性が強く安定している。
• SDO/AIAのFe XVIII 93.93 ÅラインをMaGIXS X線ラインと併用すると、極端なκ = 2の場合にκ感受性が2–3倍に向上する。
• Fe XVIII 93.93 Åラインは、MaGIXSの診断能力を強化する強力な外部制約を提供し、キャリブレーションの不確実性を低減する。
• log T ≈ 6.6 Kの領域では、dielectronic recombination補正はκ分布効果と比較してライン比にほとんど影響を与えない。
• MaGIXS機器は、活動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な加熱メカニズムの直接的証拠を提供する。