[논문 리뷰] Spectroscopic indication of suprathermal ions in the solar corona

E. Lee, David R. Williams외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 13.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 히노데/EIS 데이터에서 284.16 Å의 Fe xv 복사선 스펙트럼 분석을 통해 태양 코로나 내 초열 이온 집합체의 존재를 테스트한다. 활성 지역 전역에서 선형 프로파일에 카파 및 가우시안 모델을 적합시켜 분석한 결과, 카파 분포가 가우시안 모델보다 유의미하게 더 좋은 적합도를 보였으며, 대부분의 최적 적합 카파 값은 3 이하로 나타나 비맥스웰 분포의 강한 이온 집합체와 코로나 내 초열 이온의 존재를 지지한다.

ABSTRACT

Using spectroscopic data, we support the possibility of suprathermal distributions of coronal ions by fitting the equivalent kappa functions to their emission line profiles. We fit different kappa and Gaussian model functions to line profiles of the strong Fe xv line at 284.16 Angstroms, across two large-field spectroscopic rasters taken in a solar active region. Both single- and double-component Gaussian models are applied, as well as two kappa models, one with a free width parameter allowing for and the other with a constrained width that precludes "microturbulence". We then compare the goodness of fit of the computed best fits for each model. The kappa distribution is a generalization, or superset, of the Maxwellian, so they are able to fit line profiles more precisely than a Gaussian. In most of the data, the best-fit kappa model produces much lower residuals across the profile than any single Gaussian and sometimes double Gaussian. Most importantly, the distribution of estimated kappa values is found to lie mostly in the low-kappa range, implying ion populations far from Maxwellian. Even when the width is removed as a free parameter of fit, the kappa model is still able to fit the data credibly, again with low best-fit values of kappa. We find the shape of the Fe xv line, in the vast majority of the data analyzed, to be indicative of a highly suprathermal ion population.

연구 동기 및 목표

• 스펙트럼 데이터를 이용하여 태양 코로나 내 비맥스웰 이온 분포의 존재를 조사하기 위해.
• 맥스웰 분포를 일반화한 카파 분포가 기존의 가우시안 모델보다 관측된 선형 프로파일을 더 잘 설명하는지 테스트하기 위해.
• 일반적으로 미세 turbulent 현상으로 기인하는 것으로 여겨지는 선형 프로파일의 과도한 넓이 증가가 실제로 초열 이온 집합체에 의해 설명되는지 여쭤보기 위해.
• 자유 넓이 매개변수를 포함하거나 포함하지 않은 모델을 비교하여 코로나 스펙트럼 분석에서 미세 turbulent 가정의 타당성을 평가하기 위해.
• 특히 활성 지역 환경에서 코로나 내 이온 집합체가 열 평형에서 얼마나 크게 벗어나 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 2 arcsec 공간 해상도와 22.3 mÅ 스펙트럼 분해능을 갖춘 히노데의 EUV 이미징 스펙트로미터(EIS)를 사용하여 태양 활성 지역의 대규모 스펙트럼 래스터를 확보하였다.
• 284.16 Å에서의 Fe xv 선형 프로파일에 대해 단일 및 이중 성분 가우시안(SG 및 DG) 모델과 두 가지 카파 분포 모델(자유 넓이 매개변수 유무)을 적합시켰다.
• 자유도를 고려하여 벌어진 카이제곱(χ²)과 수정된 아카이케 정보 기준(AICc)을 사용하여 모델의 적합도를 비교하였다.
• 카파 모델의 넓이를 기기적 넓이와 열운동 속도(κ를 통해)에만 의존하도록 제약을 두어 자유 매개변수를 SG 모델과 동일하게 유지하였다.
• 1000개 이상의 공간 픽셀에서 잔차와 모델 적합도의 질을 분석하여 카파 적합의 통계적 유의성을 평가하였다.
• 스피츠러 충돌 시간과 이전의 비열적 입자 분포 이론적 연구와 비교하여 카파 분포의 물리적 타당성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 Fe xv 복사선 284.16 Å의 넓이 증가가 열 운동에 의한 것만 초과하는가?
• RQ2 비열적 넓이 증가가 존재할 경우, 카파 분포가 가우시안 모델보다 코로나 선형 프로파일을 더 잘 설명할 수 있는가?
• RQ3 코로나 내 과도한 선형 넓이 증가가 미세 turbulent 가정 대신 초열 이온 집합체(카파 분포)에 의해 더 잘 설명되는가?
• RQ4 코로나 이온의 카파 값은 일관되게 낮은 편인가(예: < 3), 이는 맥스웰 평형에서의 심한 이탈을 나타내는가?
• RQ5 기기적 넓이와 열운동 속도에 의해 카파 분포의 넓이를 제약할 수 있는가, 이 경우 적합도 품질이 떨어지지 않는가?

주요 결과

• 카파 분포 모델은 분석된 대부분의 Fe xv 선형 프로파일에서 단일 및 이중 가우시안 모델보다 낮은 잔차를 지속적으로 보였다.
• 대부분의 프로파일에서 최적 적합 카파 값은 낮았으며, 대부분 3 이하로 나타나 비맥스웰 평형에서 크게 이탈한 초열 이온 집합체의 강한 존재를 시사했다.
• 넓이를 기기적 넓이와 열운동 속도에만 의존하도록 제약했음에도 불구하고, 카파 모델은 낮은 κ 값을 유지하며 신뢰할 수 있는 적합을 보였으며, 이는 미세 turbulent 를 자유 매개변수로 필요로 하지 않음을 의미한다.
• 제약된 넓이를 가진 카파 모델은 동일한 자유 매개변수 수(4개)를 가진 SG 모델과 유사한 적합도를 달성하여 그 물리적 일관성과 강건성을 입증하였다.
• 결과는 코로나 이온이 비열적, 카파 분포 상태에 있을 수 있다는 이론적 예측을 지지하며, Scudder(1992b)와 Pierrard & Lamy(2003)의 이전 연구와 일치한다.
• 이 연구는 스펙트럼적 증거를 제공하여 초열 이온 집합체가 태양 코로나에서 흔한 특성임을 입증하며, 오랫동안 지속된 코로나 플라즈마의 열 평형 가정을 도전한다.