[논문 리뷰] Similarities of magnetoconvection in the umbra and in the penumbra of sunspots

B. Löptien, A. Lagg외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 04.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 54인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 히노데/SOT 관측을 통해 두 태양spots의 어둠진 부분과 반어두운 부분의 어둠진 점과 반어두운 필라멘트를 비교하여, 어둠진 부분-반어두운 부분 경계를 넘는 동안 물리적 성질에 강한 유사성을 발견하였다. 결과적으로, 경계에서의 날카로운 밝기 증가 현상은 대류 요소 밀도의 비연속성 때문이 아니라, 자기장 기하학적 변화로 인해 반어두운 부분의 더 큰, 더 밝은 필라멘트에서 대류 효율이 향상되어 발생한다. 특히 수직 성분의 강도 감소와 기울기 증가가 주요 원인이다.

ABSTRACT

Context. It is unclear why there is a rather sharp boundary in sunspots between the umbra and the penumbra. Both regions exhibit magnetoconvection, manifesting in penumbral filaments in the penumbra and in umbral dots in the umbra. Aims. Here we compare the physical properties of umbral dots and penumbral filaments. Our goal is to understand how the properties of these convective features change across the boundary between the umbra and the penumbra and how this is related to the rapid increase in brightness at the umbra-penumbra boundary. Methods. We derived ensemble averages of the physical properties of different types of convective features based on observations of two sunspots with Hinode. Results. There are strong similarities between the convective features in the outer parts of the umbra and the ones in the penumbra, with most physical parameters being smooth and continuous functions of the length of the features. Conclusions. Our results indicate that the transition in brightness from the umbra to the penumbra is solely caused by an increased effectiveness of magnetoconvection within individual convective cells. There is no significant difference in the number density of convective elements between the outer umbra and the inner penumbra. Penumbral filaments exhibit a larger area and a higher brightness compared to umbral dots. It is still unclear, how exactly the underlying magnetic field causes the increase in size and brightness of convective features in the penumbra.

연구 동기 및 목표

• 어둠진 부분-반어두운 부분 경계를 넘는 어둠진 점과 반어두운 필라멘트 간의 물리적 차이를 이해한다.
• 어둠진 부분-반어두운 부분 경계에서의 날카로운 밝기 증가 현상이 대류 요소 밀도의 비연속성 때문인지, 아니면 개별 특징의 성질 변화 때문인지 조사한다.
• 자기장 구조(강도 및 기울기)가 태양spots 내 대류 특징의 크기, 밝기 및 유속 성질에 미치는 영향을 규명한다.
• 이전에 제안된 것처럼 어둠진 부분-반어두운 부분 경계가 수직 자기장 강도의 임계값에 의해 정의되는지 평가한다.
• 자기장 기하학이 어둠진 점에서 반어두운 필라멘트로의 전이를 이끄는 역할을 분석한다.

제안 방법

• 히노데/SOT/SP를 사용하여 공간 해상도 0.16′′로 두 태양spots(AR 10923 및 AR 10933)의 고해상도 스펙트로폴라리메트릭 관측을 수행하였다.
• LTE 가정 하에 세 개의 광학적 깊이 노드(log τ = −2.5, −0.9, 0)에서 SPINOR 코드를 사용하여 스토크스 매개변수의 공간 결합된 역해석을 수행하였다.
• 비잠재 자기장 계산(NPFC) 방법을 사용하여 자기장의 180° 앙상블 방향 불확실성 문제를 해결하였다.
• 위치, 형태 및 유속 특성에 기반하여 대류 특징을 중심 어둠진 점(CUDs), 외곽 어둠진 점(PUDs), 반어두운 필라멘트(내부 및 외부 반어어두운 부분)로 분류하였다.
• 태양spots의 중심축을 따라 각 특징 유형의 평균 물리적 성질(강도, 자기장, 속도, 기울기)을 도출하기 위해 앙상블 평균을 적용하였다.
• 관측 해상도 및 노이즈 제한을 고려하여 특징 성질(길이, 밝기, 속도)을 국소 자기장 매개변수(Bz 및 기울기 γ)와 상관 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어둠진 부분-반어어두운 부분 경계를 넘는 어둠진 점과 반어어두운 필라멘트의 물리적 성질은 급격히 변화하는가, 아니면 부드럽게 변화하는가?
• RQ2 어둠진 부분-반어어두운 부분 경계에서의 날카로운 밝기 증가 현상은 대류 요소 수 밀도의 비연속성 때문인가?
• RQ3 자기장 강도(Bz)와 기울기(γ)의 변화가 어둠진 점보다 반어어두운 필라멘트의 크기 및 밝기 증가를 어느 정도 설명하는가?
• RQ4 Jurčák 등(2018)이 제안한 것처럼 어둠진 부분-반어어두운 부분 경계가 수직 자기장 강도의 고정 임계값에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ5 유속 속도와 특징 내 자기장 기하학은 경계를 넘어서 어떻게 변화하는가? 이는 에너지 수송에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 외곽 어둠진 부분의 어둠진 점과 내부 반어어두운 부분의 반어어두운 필라멘트의 물리적 성질은 유사성이 매우 높으며, 대부분의 매개변수들이 어둠진 부분-반어어두운 부분 경계를 넘어서 부드럽게 변화한다.
• 반어어두운 필라멘트는 어둠진 점보다 면적과 밝기가 뚜렷이 크며, 선속도가 더 크고(최대 약 ~3000 m/s), 자기장 기울기도 더 크다.
• 외곽 어둠진 부분과 내부 반어어두운 부분 간에 대류 요소 수 밀도에 유의미한 비연속성이 없어, 밝기 급증 현상의 원인이 밀도 변화가 아님을 배제한다.
• 어둠진 부분-반어어두운 부분 경계에서의 밝기 증가 현상은 요소 수의 변화가 아니라, 개별 반어어두운 필라멘트 내에서 자기대류 효율이 향상되어 주로 발생한다.
• 대류 특징의 길이와 밝기는 수직 자기장 강도(Bz) 감소와 자기장 기울기(γ) 증가와 강하게 상관되며, 본 연구에서는 두 요소를 독립적으로 분리할 수 없었다.
• 경계에서 Bz 또는 γ에 비연속성이 없고, 특징 성질이 부드럽게 변화하는 것으로 보아, 반어어두운 부분은 자기장 기하학과 강도의 복합적 영향으로 점진적으로 형성된다.