[논문 리뷰] Hydrogen H$α$ line polarization in solar flares. Theoretical investigation of atomic polarization by proton beams considering self-consistent NLTE polarized radiative transfer

Jiří Štěpán, P. Heinzel외 1명|arXiv (Cornell University)|2007. 01. 22.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 27인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 태양 플레어에서 양성자 비임의가 영향을 미치는 수소 H𝛼 선에서 선형 편광을 측정 가능한 정도로 유도할 수 있는지 조사한다. 비균형 상태에서의 자기 일관된 복사 전달 모델링을 통해 충돌에 의한 편광 해리 효과를 고려한 결과, 배경 전자 및 양성자 충돌과 공명 산란의 지배로 인해 양성자 비임에 의한 편광은 0.1% 이하로 억제되며, 관측된 H𝛼 편광 수준이 5%를 초과하는 것은 양성자 비임이 원인일 가능성이 매우 낮다.

ABSTRACT

Context. We present a theoretical review of the effect of impact polarization of a hydrogen H$α$ line due to an expected proton beam bombardment in solar flares. Aims. Several observations indicate the presence of the linear polarization of the hydrogen H$α$ line observed near the solar limb above 5% and preferentially in the radial direction. We theoretically review the problem of deceleration of the beam originating in the coronal reconnection site due to its interaction with the chromospheric plasma, and describe the formalism of the density matrix used in our description of the atomic processes and the treatment of collisional rates. Methods. We solve the self-consistent NLTE radiation transfer problem for the particular semiempirical chromosphere models for both intensity and linear polarization components of the radiation field. Results. In contrast to recent calculations, our results show that the energy distribution of the proton beam at H$α$ formation levels and depolarizing collisions by background electrons and protons cause a significant reduction of the effect below 0.1%. The radiation transfer solution shows that tangential resonance-scattering polarization dominates over the impact polarization effect in all considered models. Conclusions. In the models studied, proton beams are unlikely to be a satisfying explanation for the observed linear polarization of the H$α$ line.

연구 동기 및 목표

• 태양 플레어에서 충돌에 의한 자극을 통해 양성자 비임이 H𝛼 선에서 감지 가능한 선형 편광을 유도할 수 있는지 평가하기.
• 배경 전자 및 양성자 충돌이 양성자 비임에 의해 유도된 원자 편광을 얼마나 억제하는지 조사하기.
• 이전 연구에서 제기된 가정, 즉 양성자 비임 충돌에 의한 편광이 관측된 H𝛼 선 편광 수준이 5%를 초과하는 데 기여할 수 있다는 가정의 타당성 평가하기.
• 실제 코로나 대기 모델에서 잠재적인 편광을 결정하는 데 공명 산란이 영향을 미치는지, 또는 충돌에 의한 자극이 지배적인지 평가하기.
• 관측된 플레어 조건에 부합하는 양성자 비임 에너지 분포가 측정 가능한 편광을 유도할 수 있는지 테스트하기.

제안 방법

• 반경험적 코로나 대기 모델(VAL F 및 F1)에서 강도와 선형 편광에 대한 자기 일관된 비균형 상태 복사 전달 문제를 해결하기.
• 이sovotropic한 양성자 비임이 존재하는 조건에서 원자 편광 상태와 충돌률을 기술하기 위해 밀도 행렬 형식 사용하기.
• 시작 시점에 등급형 에너지 분포를 가진 단방향 수직 양성자 비임을 가정하고, 쿨롱 충돌에 의한 비임 감속 모델링하기.
• 수소와의 양성자 및 전자 충돌에 기반한 실제 충돌률을 포함하며, 고밀도 조건에서의 편광 해리 효과까지 고려하기.
• 이전 연구에서 사용된 통계 평형과 복사 전달의 분리 가정을 피하고, 이온화, 자극, 복사 전달의 자기 일관된 처리 적용하기.
• 에너지 절단, 스펙트럼 지수 δ, 유량 등의 비임 매개변수를 변화시켜 기존 편광에 미치는 영향 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 200 keV 이하의 에너지를 가진 양성자 비임이 태양 플레어에서 H𝛼 선에서 측정 가능한 선형 편광을 유도할 수 있는가?
• RQ2 배경 전자 및 양성자 충돌이 코로나에서 양성자 비임에 의해 유도된 원자 편광을 얼마나 억제하는가?
• RQ3 기존 H𝛼 선 편광을 결정하는 데 공명 산란 편광과 충돌 편광 중 어느 것이 더 지배적인가?
• RQ4 시작 시점에 등급형 양성자 비임 에너지 분포를 가정할 경우, H𝛼 형성 층에서 충분한 비대칭 자극이 발생하는가?
• RQ5 실제 대기 조건을 고려할 때 관측된 H𝛼 선 편광 수준(최대 10%)이 양성자 비임 충돌에 의한 것만으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 모든 테스트된 코로나 대기 모델에서 양성자 비임에 의한 기존 선형 편광은 강한 편광 해리 충돌로 인해 0.1% 이하로 억제된다.
• 특히 VAL F 모델에서 공명 산란 편광이 충돌 편광보다 현저히 더 강력하여 지배적이다.
• 더 낮은 온도의 모델인 F1에서도 비임의 열량 밀도가 높지만, 충돌 편광은 여전히 0.1% 이하이며, 200 keV 에너지 절단에서의 증폭은 없었다.
• 시작 시점에 등급형 비임 에너지 분포를 가정하더라도 H𝛼 형성 층에서 충분한 비대칭 자극이 발생하지 않으며, 이전 연구에서 제안된 바와 같이 스펙트럼 지수 δ 증가에 따라 분율 편광이 증가하지도 않는다.
• 관측된 H𝛼 편광 수준이 5%를 초과하는 것과 이론적 결과가 일치하지 않아, 양성자 비임 충돌이 이러한 신호의 원인일 가능성은 매우 낮다.
• 측정 가능한 편광이 없는 것은 비임의 등방성화 때문만은 아니며, 주로 충돌에 의한 편광 해리와 공명 산란의 지배 때문이 맞다.