[論文レビュー] Solar Flare Energy Partitioning and Transport -- the Impulsive Phase (a Heliophysics 2050 White Paper)

Graham S. Kerr, Meriem Alaoui+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、太陽耀斑の衝撃的段階におけるエネルギー分配と輸送を理解する包括的なフレームワークを提案し、非熱的電子、イオン、アルベーン波を主なエネルギー輸送体として強調する。2050年までに予測可能なフレア物理学を進めるために、高分解能・多波長観測と自己自己一貫したモデル化を推進する。

ABSTRACT

Solar flares are a fundamental component of solar eruptive events (SEEs; along with solar energetic particles, SEPs, and coronal mass ejections, CMEs). Flares are the first component of the SEE to impact our atmosphere, which can set the stage for the arrival of the associated SEPs and CME. Magnetic reconnection drives SEEs by restructuring the solar coronal magnetic field, liberating a tremendous amount of energy which is partitioned into various physical manifestations: particle acceleration, mass and magnetic-field eruption, atmospheric heating, and the subsequent emission of radiation as solar flares. To explain and ultimately predict these geoeffective events, the heliophysics community requires a comprehensive understanding of the processes that transform and distribute stored magnetic energy into other forms, including the broadband radiative enhancement that characterises flares. This white paper, submitted to the Heliophysics 2050 Workshop, discusses the flare impulsive phase part of SEEs, setting out the questions that need addressing via a combination of theoretical, modelling, and observational research. In short, by 2050 we must determine the mechanisms of particle acceleration and propagation, and must push beyond the paradigm of energy transport via nonthermal electron beams, to also account for accelerated protons & ions and downward directed Alfven waves.

研究の動機と目的

• 耀斑の衝撃的段階における太陽コロナ内での電子およびイオン加速の正確な位置と時空間スケールを特定すること。
• コロナ放出地点からコロナグラフに至るまでのエネルギー輸送メカニズム（電子ビーム、イオン、アルベーン波を含む）の空間的・時間的進化を特徴付けること。
• アルベーン波が下部太陽大気を加熱し、電子を加速する可能性がある役割を解明し、電子ビームモデルの優位性に挑戦すること。
• コルーブン衝突、リターン電流、磁気ミラー効果、波の散逸といった現実的な物理を組み込んだ高精度な観測を用いて、モデルを改善すること。
• X線、電波、分光帯域における高動態範囲、高フレームレート、高スペクトル分解能のデータと照合することで、予測可能なフレアモデルを実現すること。

提案手法

• 非熱的線幅拡張と温度構造の観測を用いて、サブ秒級の高フレームレート（<0.1′′）で高空間分解能を達成する分光法により、伝搬するアルベーン波を検出・特徴付ける。
• 熱的プラズマのイメージング分光法を実装し、再結合による加熱、ビーム損失、およびコロナグラフの剥離を区別する。
• コルーブン衝突、リターン電流による減速、磁気ミラー効果を含む電子およびイオンの運動方程式を自己自己一貫した輸送モデルとして解く。
• 非局所熱平衡（NLTE）コロナグラフと現実的な波スペクトルを組み込んだ放射的MHDシミュレーションを実施し、太陽大気内でのアルベーン波の伝播と散逸をモデル化する。
• DKISTと将来のX線／電波ミッションの観測を統合し、動的範囲100:1以上、エネルギー範囲200 keVまでカバーする高分解能の同時コロナおよびフットポイント放射の分析を実現する。
• 磁気圏研究者と協力し、アルベーン波の生成、伝播、波粒子相互作用に関する知見を太陽耀斑環境に応用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽耀斑の衝撃的段階において、電子およびイオンはどこで、どの程度の時空間スケールで加速されるのか？
• RQ2 硬いX線および電波放射のスペクトル的・時間的特性は、電子加速および伝播のメカニズムをどのように制限するか？
• RQ3 アルベーン波がコロナグラフ加熱および電子加速にどの程度寄与しているのか、その観測的兆候は何か？
• RQ4 フレア大気内での非熱的粒子、アルベーン波、熱的プラズマ加熱の間でのエネルギー分配比はどの程度か？
• RQ5 高分解能・多機器観測を用いて、粒子輸送および波動ダイナミクスの自己自己一貫モデルをどのように検証できるか？

主な発見

• 現在のモデルは、硬いX線放射における強いスペクトルブレークを説明できず、電子の伝播およびエネルギー沈殿メカニズムの理解に限界があることを示している。
• 微弱なコロナ源と明るいフットポイント放射を同時に解像できるため、100:1を超える高動的範囲のX線観測が、加速地点の正確な特徴付けに不可欠である。
• 周波数が1 Hz以上であるアルベーン波は、現実的なイオン化構造および磁場プロファイルと組み合わせて、特にコロナグラフおよび温度最小領域を効率的に加熱する可能性がある。
• 高分解能分光法における非熱的線幅拡張は、アルベーン波エネルギー流束を推定可能であり、波の伝播遅延に起因して、大気層の順序に従って効果が現れる。
• アルベーン波エネルギー流束および波速を正確に決定するためには、磁場フラクチュエーションを数パーセント以内の精度で測定する必要がある。これは、局所密度および磁場強度に依存する。
• 波の散逸および加熱をモデル化するには、非局所熱平衡（NLTE）コロナグラフと現実的な波スペクトルを組み込んだ放射的MHDシミュレーションが必要であるが、2050年までに依然として大きな課題のままである。