[논문 리뷰] Investigating `dark' energy in the solar corona using forward modeling of MHD waves

Vaibhav Pant, Norbert Magyar외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 26.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 67인용 수 46

한 줄 요약

이 연구는 3차원 자기유체역학(MHD) 시뮬레이션을 사용하여 태양 코로나에서 관측된 저속 도플러 속도 진폭과 높은 비열선형 폭 사이의 명백한 모순—이전에는 '어둠의' 에너지로 기인된 것으로 여겨졌음—이 해상도가 없는 횡방향 MHD 파동의 시선 방향(LOS) 중첩에서 기인한다는 것을 입증한다. 시뮬레이션 결과, 진짜 파동 에너지의 0.2–1%만 도플러 속도에 의해 캡처되며, 나머지는 비열선형 폭에 숨겨져 있음을 보여, 추가적인 알려지지 않은 에너지 원천이 필요하지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

It is now well established that the Alfv\'enic waves are ubiquitous in the solar corona. However, the Alfv\'enic wave energy estimated from the Doppler velocity measurements in the corona was found to be four orders of magnitude less than that estimated from non-thermal line widths. McIntosh & De Pontieu (2012) suggested that this discrepancy in energy might be due to the line-of-sight (LOS) superposition of the several oscillating structures, which can lead to an underestimation of the Alfv\'enic wave amplitudes and energies. McIntosh & De Pontieu (2012) termed this coronal `dark' or `hidden' energy. However, their simulations required the use of an additional, unknown source of Alfv\'enic wave energy to provide agreement with measurements of the coronal non-thermal line widths. In this study, we investigate the requirement of this unknown source of additional `dark' energy in the solar corona using gravitationally stratified 3D magnetohydrodynamic (MHD) simulations of propagating waves. We excite the transverse MHD waves and generate synthetic observations for the Fe XIII emission line. We establish that the LOS superposition greatly reduces the Doppler velocity amplitudes and increases the non-thermal line widths. Importantly, our model generates the observed wedge-shaped correlation between Doppler velocities and non-thermal line widths. We find that the observed wave energy is only 0.2-1\% of the true wave energy which explains 2-3 orders of magnitude of the energy discrepancy. We conclusively establish that the true wave energies are hidden in the non-thermal line widths. Hence, our results rule out the requirement for an additional `dark' energy in the solar corona.

연구 동기 및 목표

• 도플러 속도 측정값과 태양 코로나의 비열선형 폭 사이의 에너지 불일치의 기원을 조사하는 것.
• 시선 방향(LOS) 중첩된 해상도가 없는 MHD 파동 운동이 관측된 도플러 속도와 비열선형 폭 사이의 쐐기 모양의 상관관계를 설명할 수 있는지 테스트하는 것.
• 이전에 제안된 바와 같이 코로나 파동 에너지 예산을 설명하기 위해 추가로 알려지지 않은 '어둠의' 에너지 원천이 필요한지 여부를 규명하는 것.
• 중력 기질과 파동 감쇠가 합성 CoMP 유사 관측에서 관측된 선 폭 프로파일을 어떻게 형성하는지 평가하는 것.
• 인위적인 에너지 성분을 도입하지 않고 진짜 파동 진폭과 비열선형 폭 확장 사이의 물리적 연결 고리를 설정하는 것.

제안 방법

• 코로나 유사 자기장 플럭스 튜브 내에서 전파되는 횡방향 알베르트 파동의 중력 기질이 있는 3차원 MHD 시뮬레이션 수행.
• 코로나 파동 자극을 모의하기 위해 시뮬레이션 영역의 기저(50 Mm 높이)에서 지정된 파동 드라이버를 사용하여 횡방향 MHD 파동을 자극.
• 복사 전달 및 이온화 평형 계산을 포함한 후행 모델링 기법을 사용하여 Fe XIII 10749 Å 복사선의 합성 관측을 생성.
• 시선 방향(LOS)을 따라 합성 도플러 속도 변동과 비열선형 폭을 계산하여 CoMP 관측을 모의.
• 모의된 도플러 속도 진폭과 비열선형 폭을 관측된 상관관계, 특히 쐐기 모양의 패턴과 비교.
• 중력 기질이 없는 제어 시뮬레이션을 수행하여 밀도 기울기와 파동 반사가 비열선형 폭 확장에 미치는 영향을 분리하여 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시선 방향(LOS) 중첩된 해상도가 없는 횡방향 MHD 파동 운동이 태양 코로나에서 관측된 도플러 속도 진폭과 비열선형 폭 사이의 불일치를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ2 CoMP 데이터에서 관측된 도플러 속도 변동과 비열선형 폭 사이의 쐐기 모양의 상관관계는 인위적인 에너지 원천을 추가하지 않고도 현실적인 3차원 MHD 시뮬레이션을 통해 재현될 수 있는가?
• RQ3 진짜 알베르트 파동 에너지의 어느 정도가 실제로 도플러 속도 측정에 의해 캡처되며, 나머지는 어디에 숨겨져 있는가?
• RQ4 비열선형 폭이 높이에 따라 수평선을 그리며 수렴하는 현상은 주로 시선 방향 투영 효과 때문인지, 아니면 공진 흡수 또는 수치 점성에 의한 파동 감쇠 때문인지?
• RQ5 특히 1.07 R⊙ 근처에서 광이온화 효과가 시뮬레이션 영역 내 합성 Fe XIII 선 프로파일에 상당한 영향을 미치는가?

주요 결과

• 다수의 진동하는 코로나 구조의 시선 방향(LOS) 중첩은 도플러 속도 진폭을 100–500배 감소시켜 파동 에너지의 99–99.8%를 과소평가하게 한다.
• 진짜 알베르트 파동 에너지 플럭스의 0.2–1%만 도플러 속도 변동에 의해 캡처되며, 이는 관측된 에너지 불일치의 2–3개 지수 정도를 설명한다.
• 도플러 속도의 제곱평균근(rms) 진폭과 비열선형 폭 사이의 쐐기 모양의 상관관계는 추가적인 알려지지 않은 에너지 원천이 필요 없이 시뮬레이션에서 성공적으로 재현되었다.
• 비열선형 폭은 초기에 높이에 따라 증가하다가 밀도 기울기에서의 파동 반사로 인해 수평선을 그리며 수렴하며, 이는 파동 감쇠나 에너지 손실 메커니즘 때문이 아니다.
• Fe XIII 선 모델링에 광이온화 효과를 포함시켜도 결과에 영향을 주지 않으며, 시뮬레이션 영역 내에서 충돌에 의한 자극이 지배적이기 때문이다(최대 1.07 R⊙까지).
• 이 연구는 알려지지 않은 '어둠의' 에너지 원천이 필요하지 않음을 명확히 규명하였으며, 부족한 에너지는 모두 시선 방향 투영에서 해상도가 없는 파동 진폭에 의해 완전히 설명된다.