[논문 리뷰] Non-thermal electron energization during the impulsive phase of an X9.3 flare revealed by Insight-HXMT

P. Zhang, Wei Wang외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 17.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 43인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 X9.3 태양 플레어 SOL20170906T11:55의 급격기 동안 Insight-HXMT 및 RSTN 데이터를 사용하여 비열적 전자 에너지 증가를 규명한다. 경직된 X선 및 마이크로파 방출에서의 준주기성 파uls레이션(QPPs)을 분석함으로써, 반지름 36.6 ± 0.6′′, 평균 횡방향 자기장 608.2 G, 피크 시 비열적 전자 밀도 약 10⁶.⁷ cm⁻³를 가지는 안정적인 기체성동자 방출원을 규명하였으며, 이는 하부 코로나에서 반복되는 자기장 재결합이 가속 기구임을 시사한다.

ABSTRACT

The X9.3 flare SOL20170906T11:55 was observed by the CsI detector aboard the first Chinese X-ray observatory Hard X-ray Modulation telescope (Insight-HXMT). By using wavelets method, we report about 22 s quasiperiodic pulsations(QPPs) during the impulsive phase. And the spectra from 100 keV to 800 keV showed the evolution with the gamma-ray flux, of a power-law photon index from $\sim 1.8$ before the peak, $\sim 2.0$ around the flare peak, to $\sim 1.8$ again. The gyrosynchrotron microwave spectral analysis reveals a $36.6 \pm 0.6 \arcsec$ radius gyrosynchrotron source with mean transverse magnetic field around 608.2 Gauss, and the penetrated $\ge$ 10 keV non-thermal electron density is about $10^{6.7} \mathrm{cm}^{-3}$ at peak time. The magnetic field strength followed the evolution of high-frequency radio flux. Further gyrosynchrotron source modeling analysis implies that there exists a quite steady gyrosynchrotron source, the non-thermal electron density and transverse magnetic field evolution are similar to higher-frequency light curves. The temporally spectral analysis reveals that those non-thermal electrons are accelerated by repeated magnetic reconnection, likely from a lower corona source.

연구 동기 및 목표

• 주요 X9.3 태양 플레어의 급격기 동안 비열적 전자의 기원과 진화를 조사하기 위해.
• 다중 파장 관측을 통해 기체성동자 방출원의 공간적 및 자기적 성질을 규명하기 위해.
• 경직된 X선 및 마이크로파 방출 간의 상관관계를 분석하여 공통된 고에너지 전자 집단의 성질을 추론하기 위해.
• 기체성동자 방출원을 모델링하고 플레어 급격기 동안 전자 밀도 및 자기장의 진화를 제약하기 위해.

제안 방법

• 약 22초 주기의 준주기성 파동(Quasiperiodic Pulsations, QPPs)을 탐지하기 위해 Insight-HXMT의 CsI 경직된 X선 광도 곡선에 웨이브렛 분석을 적용하였다.
• 100 keV에서 800 keV 사이의 경직된 X선 데이터에 시간 해상도를 갖춘 스펙트럼 피팅을 수행하여 광자 지수의 진화를 유도하였다.
• RSTN 마이크로파 데이터에 기반한 기체성동자(GS) 방출원 모델링을 통해 횡방향 자기장 강도와 비열적 전자 밀도를 추정하였다.
• 8.8, 11.2, 15.4 GHz에서의 GS 모델 광도 곡선을 관측된 전파 광도 곡선과 비교하여 방출원 파arameter의 타당성을 검증하였다.
• 경직된 X선 및 전파 광도 곡선 간의 상관관계를 분석하여 시간 지연을 평가하고 전자 빔의 전파 역학을 추론하였다.
• 스펙트럼 및 시간 진화의 일관성을 바탕으로 하부 코로나에서 반복되는 자기장 재결합의 가능성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플레어 급격기 동안 경직된 X선 및 마이크로파 방출에서 관측된 약 22초 주기의 준주기성 파동(QPPs)의 성격과 기원은 무엇인가?
• RQ2 마이크로파 방출을 담당하는 기체성동자 방출원의 공간적 및 자기장 성질은 무엇인가?
• RQ3 급격기 동안 비열적 전자 밀도와 자기장은 어떻게 변화하며, 이는 가속 기구에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ4 경직된 X선과 전파 광도 곡선 사이에 시간 지연가 존재하는 이유는 무엇이며, 이는 전자 빔의 전파 역학을 어떻게 드러내는가?
• RQ5 관측된 QPP 행동은 하부 코로나에서 반복되는 자기장 재결합 사건과 일치하는가?

주요 결과

• 경직된 X선 및 마이크로파 방출에서 약 22초 주기의 준주기성 파동(QPP)이 관측되어 고에너지 전자 집단의 공명 조절을 시사한다.
• 경직된 X선 스펙트럼은 피크 이전에 약 1.8에서 시작하여 피크에 도달할 무렵 약 2.0으로 변화하고 다시 약 1.8로 돌아오는 것으로 나타나 비열적 전자 에너지 분포의 변화를 나타낸다.
• 기체성동자 방출원의 반지름은 36.6 ± 0.6′′이며 평균 횡방향 자기장은 608.2 G로 하부 코로나 기원과 일치한다.
• 피크 시점의 비열적 전자 밀도는 약 10⁶.⁷ cm⁻³이며, 전자 밀도와 자기장 모두 안정적으로 진화하여 고주파수 전파 광도 곡선과 일치한다.
• 경직된 X선과 전파 광도 곡선 사이의 시간 지연은 고에너지 전자가 가속 지점에서 방출 영역으로 전파되는 데 몇 초가 소요됨을 시사한다.
• 약 22초 주기의 QPP는 반복되는 자기장 재결합과 일치하지만, 더 긴 약 80초 주기의 QPP는 장수명 기체성동자 방출원을 시사하여 하부 코로나에서의 가속 지점과 일치한다.