[논문 리뷰] Are stellar coronae optically thin in X-rays? - A systematic investigation of opacity effects

Jan‐Uwe Ness, J. H. M. M. Schmitt외 3명|Archive ouverte UNIGE (University of Geneva)|2003. 06. 16.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 23인용 수 41

한 줄 요약

이 연구는 XMM-Newton 및 창라 스펙트로미터를 사용하여 26颗의 별에서 얻은 고해상도 X선 스펙트럼을 분석함으로써 별의 코로나가 X선에서 광학적으로 얇은지 여부를 조사한다. 공명 산란이나 상당한 광학 두께 효과에 대한 설득력 있는 증거는 발견되지 않았으며, 코로나 플라즈마는 효과적으로 광학적으로 얇다고 결론을 내린다. 원자 데이터베이스와의 괴리로 인한 오차는 투과도 효과보다는 발광도의 불확실성 때문일 가능성이 높다.

ABSTRACT

The relevance of resonant scattering (absorption by photo-excitation and re-emission out of the line of sight) in the solar corona has always been discussed controversially. Ratios of emission lines from identical ions but different oscillator strengths are tracers for damping of resonance lines due to possible resonant scattering. We present an analysis of a large sample of 44 stellar spectra obtained with all gratings on board Chandra and XMM-Newton and systematically measure line ratios of FeXVII lines at 15.27A and 16.78A lines to the resonance line at 15.03A as well as the He-like f/r ratio of OVII and NeIX. The same ratios obtained from optically thin plasma atomic databases such as MEKAL, Chianti, and APEC are found to be discrepant, however, we find no convincing proof for resonance line scattering. Optical depths are basically identical for all kinds of stellar coronae and we conclude that identical optical depths are more probable when effects from resonant scattering are generally negligible. The 15.27/15.03A ratio shows a regular trend suggesting blending of the 15.27A line by a cooler Fe line, possibly FeXVI. The He-like f/r ratios for O and Ne show no indication for significant damping of the resonance lines. We mainly attribute deviations from the atomic databases to still uncertain emissivities which do not agree well with laboratory measurements and which come out with differing results when accounting for one or the other side effect.

연구 동기 및 목표

• 코로나에서 공명 산란과 광학 두께 효과가 유의미한지 평가하여 광학적으로 얇은 플라즈마라는 가정에 도전한다.
• 광학적으로 얇은 플라즈마 모델(MEKAL, Chianti, APEC)의 예측과 다름없이 관측된 별 코로나의 X선 선 비율이 왜 벗어나는지 조사한다.
• Fe xvii 및 헬륨 유사 이온의 선 비율 차이가 측정 가능한 투과도를 나타내는지 아니면 원자 데이터의 불확실성 때문인지 판단한다.
• 지역적 태양 관측과 비교하여, 공명 산만 효과가 태양의 국소 영역에서는 더 쉽게 감지 가능한 이유를 분석한다.
• 전체 별 관측에서 공명 산만 효과가 평균화되어 감지되지 않게 되는지 평가한다.

제안 방법

• XMM-Newton의 RGS와 Chandra의 LETGS/HETGS를 사용하여 26개의 별 코로나에서 44건의 고해상도 X선 스펙트럼을 확보했다.
• Fe xvii(15.03 Å, 15.27 Å, 16.78 Å) 및 헬륨 유사 이온(O vii, Ne ix)의 선 밀도 비율을 측정하여 광학 두께 및 공명 산만 효과를 탐색한다.
• 관측된 선 비율을 광학적으로 얇은 플라즈마 데이터베이스(MEKAL, Chianti, APEC)의 예측과 비교하여 투과도로 인한 편차를 식별한다.
• 온도 구조로 인한 더 낮은 온도의 Fe xvi 선과의 혼합 가능성을 고려하여 15.27/15.03 Å 비율을 분석한다.
• 공명 선에 대한 금속성 비율(금지선 대 공명선 비율)인 He-유사 f/r 비율을 측정하여 공명 산만에 의한 감쇠 여부를 확인한다.
• 기하학적 효과, 특히 국소 태양 관측과 전체 별 통합 관측 간의 차이를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 별 코로나는 X선에서 광학적으로 얇은가, 아니면 공명 산만 및 광학 두께 효과로 인해 관측된 선 비율이 크게 영향을 받는가?
• RQ2 왜 관측된 Fe xvii 및 헬륨 유사 이온 선 비율이 광학적으로 얇은 플라즈마 모델의 예측과 다름없는가?
• RQ3 별과 태양 관측 간의 선 비율 괴리 원인이 공명 산만인지, 아니면 원자 발광도의 불확실성 때문인지?
• RQ4 유사한 물리 조건에도 불구하고 공명 산만 효과는 태양 관측에서는 감지되지만 전체 별 관측에서는 감지되지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ5 별 데이터의 기하학적 및 관측 통합 효과가 공명 산만 효과를 얼마나 가리거나 상쇄시키는가?

주요 결과

• 연구한 26개의 별 코로나에서 공명 산만 또는 상당한 광학 두께 효과에 대한 설득력 있는 증거는 발견되지 않았다.
• 15.27/15.03 Å Fe xvii 선 비율은 공명 산만이 아니라 더 낮은 온도의 Fe xvi 선과의 혼합을 시사하는 일관된 경향을 보였다.
• O vii 및 Ne ix의 He-유사 f/r 비율은 감쇠의 징후가 없었으며, 이는 별 코로나에서 공명 산만이 거의 없음을 시사한다.
• 선 비율에서 유도된 광학 두께는 불활성성에서 고활성성 별에 이르기까지 모든 별 유형에서 거의 동일했으며, 이는 상당한 투과도 효과가 불가능하다는 것을 의미한다.
• 이론적 데이터베이스와의 괴리는 투과도나 공명 산만보다는 원자 발광도의 불확실성 때문일 가능성이 더 높다.
• X선 빛의 세기 범위가 네 개의 지수 단위에 걸쳐도 선 비율이 유사하게 유지되는 것은 상당한 광학 두께 차이가 없음을 뒷받침하며, 광학적으로 얇은 가정을 지지한다.