[論文レビュー] The solar wind from a stellar perspective : how do low-resolution data impact the determination of wind properties

S. Boro Saikia, Meng Jin+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 103被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、Alfvén波エネルギー入力と低分解能星磁気計測データが、Alfvén波太陽モデル（AWSoM）を用いた太陽および星風予測に与える影響を調査する。Alfvén波エネルギー入力が磁気計測データの分解能よりも風の性質に強く影響することが判明し、太陽の類縁星を太陽の代理として用いることは、風シミュレーションにおいて10倍程度の誤差を引き起こす可能性がある。これは、星風モデルにおける境界条件の正確さが極めて重要であることを示している。

ABSTRACT

Alfvén-wave-driven 3D magnetohydrodynamic (MHD) models, which are increasingly used to predict stellar wind properties, contain unconstrained parameters and rely on low-resolution stellar magnetograms. We explore the effects of the input Alfvén wave energy flux and the surface magnetogram on the wind properties predicted by the Alfvén Wave Solar Model (AWSoM). We lowered the resolution of two solar magnetograms during solar cycle maximum and minimum using spherical harmonic decomposition. The Alfvén wave energy was altered based on non-thermal velocities determined from a far ultraviolet (FUV) spectrum of the solar twin 18 Sco. Additionally, low-resolution magnetograms of three solar analogues were obtained using Zeeman Doppler imaging (ZDI). Finally, the simulated wind properties were compared to Advanced Composition Explorer (ACE) observations. AWSoM simulations using well constrained input parameters taken from solar observations can reproduce the observed solar wind mass and angular momentum loss rates. The resolution of the magnetogram has a small impact on the wind properties and only during cycle maximum. However, variation in Alfvén wave energy influences the wind properties irrespective of the solar cycle activity level. Furthermore, solar wind simulations carried out using the low-resolution magnetogram of the three stars instead of the solar magnetogram could lead to an order of a magnitude difference in the simulated wind properties. The choice in Alfvén energy has a stronger influence on the wind output compared to the magnetogram resolution. The influence could be even stronger for stars whose input boundary conditions are not as well constrained as those of the Sun. Unsurprisingly, replacing the solar magnetogram with a stellar magnetogram could lead to completely inaccurate solar wind properties, and should be avoided in solar and stellar wind simulations.

研究の動機と目的

• AWSoMモデルを用いて、低分解能星磁気計測データおよびAlfvén波エネルギーfluxが太陽および星風シミュレーションに与える影響を評価すること。
• 太陽類縁星の磁気計測データが、風モデルにおける太陽磁気計測データの代替として信頼できるかを評価すること。
• 特にAlfvén波エネルギーおよび磁気計測データの分解能の変動に起因する風の性質に関する不確実性を定量化すること。
• 太陽活動極大期および極小期におけるACE観測データと比較して、シミュレートされた風の性質を検証すること。
• 地球外惑星の居住可能性に関する研究における星風の性質を予測する際の主な不確実性要因を特定すること。

提案手法

• 高分解能（l_max = 150）の太陽磁気計測データを低分解能（l_max = 5, 10, 20）に縮小するために、球面調和分解が用いられた。
• Hubble Space Telescopeの遠紫外スペクトルから得られる非熱的速度を用いて、Alfvén波エネルギーfluxを調整した。
• 18 Sco、HD 76151、HN Pegの3つの太陽類縁星のゼーマンドーブルイメージング（ZDI）マップを、AWSoMシミュレーションにおける太陽磁気計測データの代理として用いた。
• 異なる入力パラメータを用いたAWSoMシミュレーションを実行し、1 AUにおける風速、陽子密度、圧力のインサイト測定データ（ACE観測）と照合した。
• シミュレーションと観測データの間で、風質量損失率および角運動量損失率を比較し、モデルの正確性を評価した。
• 感度解析を実施し、Alfvén波エネルギーfluxと磁気計測データの分解能がシミュレートされた風出力に与える影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽磁気計測データの分解能を低下させると、AWSoMシミュレーションにおける太陽風の予測特性にどのような影響を与えるか？
• RQ2 Alfvén波エネルギーfluxの変動が、シミュレートされた太陽および星風の性質に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 18 Sco、HD 76151、HN Pegなどの太陽類縁星の磁気計測データを、AWSoMにおける入力として用いることで、太陽風の特性を正確に再現できるか？
• RQ4 入力パラメータの不確実性は、風予測の正確性に与える影響を比較すると、どの程度の違いがあるか？
• RQ5 境界条件が不確実に設定された星の境界条件を用いることで、地球外惑星の宇宙天気および大気の脱出をモデル化する際にどのような影響が生じるか？

主な発見

• 入力パrameterが適切に制約されたAWSoMシミュレーションは、観測された太陽風の質量損失率および角運動量損失率を許容範囲内で再現したが、陽子密度および圧力はACE観測値の約2–3倍に上昇していた。
• 入力磁気計測データの分解能は風の性質にわずかな影響しか与えず、太陽活動極大期にのみ顕著であった。
• Alfvén波エネルギーfluxの変動は、太陽活動周期の段階に関係なく、磁気計測データの分解能よりも風の性質に強く影響した。
• HN Pegのような太陽類縁星の低分解能ZDIマップを太陽磁気計測データの代理として用いると、実際の太陽風と比較して風の性質の予測値に最大10倍の差が生じた。
• 同じスペクトル型であっても、回転速度および磁場幾何学的構造の違いにより、境界条件が不確実な場合に風シミュレーションの不確実性が大きく増大することが分かった。
• 本研究は、Alfvén波エネルギー入力が風モデルにおける主な不確実性要因であると結論づけ、星磁気計測データを太陽の代替として用いることは、顕著な予測誤差を引き起こすため強く推奨されない。