[論文レビュー] The role of asymmetries in coronal rain formation during thermal non-equilibrium cycles

Gabriel Pelouze, F. Auchère+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 89被引用数 20

ひとこと要約

本研究では、太陽コロナループにおける熱的非平衡（TNE）サイクルのうち、なぜ一部のサイクルでは大量のコロナル・レインが生成されるのに対し、他のサイクルでは生成されないかを解明するために、1次元流体力学シミュレーションを9,000回実施した。その結果、コロナル・レインは、加熱が幾何的非対称性を正確に補償する場合にのみ形成されることを明らかにした。対称的なループでは、加熱プロファイルの広い範囲でレイン形成が可能であるが、非対称なループでは、凝縮が chromospheric 温度にまで冷却されるまで持続するためには、加熱が対称的でなければならないことが分かった。

ABSTRACT

Context: Thermal non-equilibrium (TNE) produces several observables that can be used to constrain the spatial and temporal distribution of solar coronal heating. Its manifestations include prominence formation, coronal rain, and long-period intensity pulsations in coronal loops. The recent observation of abundant periodic coronal rain associated with intensity pulsations by Auch\`ere et al. allows to unify these two phenomena as the result of TNE condensation and evaporation cycles. On the other hand, many intensity pulsation events observed by Froment et al. show little to no coronal rain formation. Aims: Our goal is to understand why some TNE cycles produce such abundant coronal rain, while others produce little to no rain. Methods: We reconstruct the geometry of the event reported by Auch\`ere et al., using images from STEREO/SECCHI/EUVI and magnetograms from SDO/HMI. We then perform 1D hydrodynamic simulations of this event, for different heating parameters and variations of the loop geometry (9000 simulations in total). We compare the resulting behaviour to simulations of TNE cycles by Froment et al. that do not produce coronal rain. Results: Our simulations show that both prominences and TNE cycles (with and without coronal rain) can form within the same magnetic structure. We show that the formation of coronal rain during TNE cycles depends on the asymmetry of the loop and of the heating. Asymmetric loops are overall less likely to produce coronal rain, regardless of the heating. In symmetric loops, coronal rain forms when the heating is also symmetric. In asymmetric loops, rain forms only when the heating compensates the asymmetry.

研究の動機と目的

• コロナルループにおける熱的非平衡（TNE）サイクルが大量のコロナル・レインを生成するかどうかを決定する物理的条件を理解すること。
• Fromentら（2015）が観測した一部のTNEイベントではコロナル・レインが観測されない一方で、'レイン・ボウ'イベント（Auchère ら 2018）では強力なレイン降下が観測される理由を調査すること。
• TNEサイクル中にコロナル・レインの形成を促進または抑制する要因としてのループ幾何と加熱対称性の役割を特定すること。
• 加熱と幾何の共通の依存性を分析することで、同じ磁気構造内にプロミネンスとTNEサイクルが共存する理由を解明すること。

提案手法

• STEREO/SECCHI/EUVIの画像とSDO/HMI磁気計画図を用いて、'レイン・ボウ'コロナルループの3次元幾何を再構築した。
• ループの体積加熱率、加熱非対称性、ループ形状、断面積の拡大を変化させた9,000回の1次元流体力学的シミュレーションを実施した。
• 観測されたループ幾何と加熱プロファイルを用いてシミュレーションのパラメータを制約し、物理的妥当性を確保した。
• AIA、EUVI、およびHα観測データとシミュレーション結果を比較することで、モデルの挙動を検証した。
• 凝縮、蒸発、プラズマの流れのダイナミクスを含むTNEサイクルの進化を分析し、コロナル・レイン形成の条件を同定した。
• Froment ら（2018）のループ幾何を用いた比較的シミュレーションを実施し、対称的と非対称なループの挙動の違いを対比した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような要因がTNEサイクルに大量のコロナル・レインを生成するか、またはレインなしで終わらせるかを決定するか？
• RQ2 コロナルループの幾何的非対称性が、TNEサイクル中のプラズマ凝縮の形成と存続にどのように影響するか？
• RQ3 凝縮がchromospheric 温度まで冷却されるためには、加熱の対称性がループの非対称性をどの程度補償する必要があるか？
• RQ4 同じ磁気構造が、加熱と幾何の違いによって、コロナル・レインを伴うTNEサイクルと伴わないTNEサイクルの両方を生成できるか？
• RQ5 TNEサイクルからプロミネンス様構造への遷移を可能にする、重要な加熱および幾何パラメータは何か？

主な発見

• 対称的なループでは、加熱の強度にかかわらず、加熱が対称的であればコロナル・レインが形成される。これは、レイン形成の広いパラメータ空間があることを示している。
• 非対称なループでは、加熱が幾何的非対称性を正確に補償する場合にのみコロナル・レインが形成される。そうでなければ、凝縮はchromospheric 温度に冷却される前に排出されてしまう。
• 'レイン・ボウ'イベントは、両ループに15 Mmの加熱スケール高さを持つ強力な対称的フットポイント加熱によって生じており、持続的な凝縮とレイン形成を可能にしている。
• 'レイン・ボウ'ループの加熱関数が対称性からわずかにずれると、観測と整合するようにプロミネンス様構造が形成される。これは、レインがループ頂点で発生するという観測と一致する。
• 同じ磁気配置内に、コロナル・レインを伴うTNEサイクルと伴わないTNEサイクルが共存可能であり、その違いは加熱対称性とループ幾何の違いに起因する。
• シミュレーションにより、凝縮がchromospheric 温度に達する前に再加熱されることが確認された。これは特に、加熱が不一致である非対称なループで顕著に見られる。