[論文レビュー] Whistler instability driven by the sunward electron deficit in the solar wind

Laura Berčič, Daniel Verscharen+19 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 70被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、太陽風における準平行なホイストラーモード波を駆動する新しいメカニズムを特定した。そのメカニズムは、Solar Orbiterが観測したコア分布における太陽方向電子欠損に起因する。不安定性は、波の伝搬方向とは逆方向に運動する電子とホイストラーモード波とのサイクロトロン共鳴によって生じ、波の増幅は速度空間における欠損と直接関連している。この現象は、準線形拡산によって電子の熱フラックスを低減する。

ABSTRACT

Solar wind electrons play an important role in the energy balance of the solar wind acceleration by carrying energy into interplanetary space in the form of electron heat flux. The heat flux is stored in the complex electron velocity distribution functions (VDFs) shaped by expansion, Coulomb collisions, and field-particle interactions. We investigate how the suprathermal electron deficit in the anti-strahl direction, which was recently discovered in the near-Sun solar wind, drives a kinetic instability and creates whistler waves with wave vectors that are quasi-parallel to the direction of the background magnetic field. We combine high-cadence measurements of electron pitch-angle distribution functions and electromagnetic waves provided by Solar Orbiter during its first orbit. Our case study is based on a burst-mode data interval from the Electrostatic Analyser System (SWA-EAS) at a distance of 112 $R_S$ (0.52 au) from the Sun, during which several whistler wave packets were detected by Solar Orbiter's Radio and Plasma Waves (RPW) instrument. The sunward deficit creates kinetic conditions under which the quasi-parallel whistler wave is driven unstable. We directly test our predictions for the existence of these waves through solar wind observations. We find whistler waves that are quasi-parallel and almost circularly polarised, propagating away from the Sun, coinciding with a pronounced sunward deficit in the electron VDF. The cyclotron-resonance condition is fulfilled for electrons moving in the direction opposite to the direction of wave propagation, with energies corresponding to those associated with the sunward deficit.

研究の動機と目的

• 高タイムスケールのイン・サイト測定を用いて、太陽風における準平行ホイストラーモード波の起源を調査すること。
• 最近発見された太陽方向電子欠損がキネティック不安定性を駆動する役割を説明すること。
• 太陽方向電子欠損と準平行波ベクトルを有するホイストラーモード波の励起との因果関係を確立すること。
• この不安定性が太陽風における電子熱フラックスとエネルギー再分配に与える影響を特定すること。
• 観測条件下での共鳴波-粒子相互作用に適したサイクロトロン共鳴条件の妥当性を検証すること。

提案手法

• ソーラー・オービタの初周回期中に取得された、Solar Orbiter 電気的分析計測系（SWA-EAS）による高タイムスケール電子速度分布関数（VDF）を用いた。
• ラジオ・プラズマ波（RPW）機器からの電磁波データを分析し、準平行ホイストラーモード波パケットを同定した。
• 波の位相速度と伝搬方向を、波の静止系における電子VDFにマッピングした。
• サイクロトロン共鳴条件を適用し、波の伝搬方向とは逆方向に運動する共鳴電子を特定した。
• 波の静止系における正規化されたピッチ角勾配を計算し、準線形拡散の方向を評価した。
• 共鳴電子の速度が太陽方向欠損領域と一致することを確認することで、不安定性メカニズムの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コア分布における太陽方向電子欠損が、準平行ホイストラーモード波を生成するキネティック不安定性を駆動できるか？
• RQ2 観測された波の性質と照らし合わせた場合、欠損領域に存在する電子がサイクロトロン共鳴条件を満たしているか？
• RQ3 観測された波の特性（偏光、伝搬方向、波数ベクトル）は、予測された不安定性メカニズムと整合しているか？
• RQ4 準線形拡散が電子欠損を緩和し、電子熱フラックスを低減する役割は何か？
• RQ5 太陽方向欠損の存在が、太陽風全体のエネルギーバランスに与える影響は何か？

主な発見

• 準平行的で、ほぼ円偏光のホイストラーモード波が、太陽から離れる方向に伝搬しており、これはコア分布における顕著な太陽方向電子欠損と一致していた。
• 太陽方向欠損に対応する速度空間領域における電子が、サイクロトロン共鳴条件を満たしており、波との共鳴相互作用が確認された。
• 欠損領域において、波の静止系で負のピッチ角勾配が測定され、これは欠損を埋める方向への準線形拡散を示唆している。
• 太陽方向欠損によって駆動される不安定性が、観測されたホイストラーモード波を直接生成しており、太陽風における波励起の新たなメカニズムを提供する。
• 共鳴電子の準線形拡散は、欠損を埋める方向に作用し、結果として太陽風が運ぶ電子熱フラックスの全体的な低減を引き起こす。
• 観測された波の性質と電子VDFの構造は、太陽方向欠損が準平行ホイストラーモード波の源として機能する状況と整合しており、太陽風の加熱およびエネルギー輸送に影響を及ぼす可能性を示している。