[논문 리뷰] Heavy Coronal Ions in the Heliosphere: I. Global Distribution of Charge-states of C, N, O, Mg, Si and S

S. Grzȩdzielski, M. Wachowicz외 2명|arXiv (Cornell University)|2008. 08. 22.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 39인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 태양 corona에서 유도된 C, N, O, Mg, Si, S 이온의 전하 상태 변화를 헬리오스피어의 헬리오시아스와 헬리오스피어 테일을 거쳐 모델링하여, 간섭성 중성자에서의 전자 수용이 이들의 전하 상태를 상당히 감소시킨다는 것을 보여준다. 주요 결과는 일중 전하 상태를 가진 이온들이 헬리오파우스 근처에 집중되어 있으며, 이로 인해 약 1 keV/nucleon의 에너지를 가진 중성입자(ENA)가 생성되며, 이는 퍼스트업 이온(PUI)과 이례적 태양우주선(ACR)의 주요 시드 집단이 될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Aims: Investigate/Study de-charging of solar wind C, N, O, Mg, Si and S ions and assess fluxes of resulting ENA in the heliosphere. Methods: The model treats the heavy ions as test particles convected by (and in a particular case also diffusing through) a hydrodynamically calculated background plasma flow, from 1 AU to the termination shock (TS), to heliosheath (HS) and finally to heliospheric tail (HT). The ions undergo radiative and dielectronic recombinations, charge exchanges, photo- and electron impact ionizations with plasma particles, interstellar neutral atoms (calculated on a Monte-Carlo model) and solar photons. Results: Highly-charged heavy coronal ions flowing with the solar wind undergo successive de-ionizations, mainly in the heliosheath, leading to charge-states much lower than in the supersonic solar wind. If Coulomb scattering is the main ion energy loss mechanism, the end product of these deionizations are fluxes of ENA of ~1 keV/nucleon originating in the upwind heliosheath that for C, Mg, Si and S may constitute sources of pickup ions (PUI) significantly exceeding the interstellar supply. Conclusions: Discussed processes result in (i) distinct difference of ion charge q in the supersonic solar wind (approximately q >= +Z/2, Z = atomic number) compared to that in the HS (approximately 0 <= q <= +Z/2)), (ii) probable concentration of singly ionized atoms (q = +1) in the heliosheath towards the heliopause (HP) and in the HT, (iii) possible significant production of ENA in the HS offering natural explanation for production of PUI, and -- after acceleration at the TS -- anomalous cosmic rays (ACR) of species (like C, Mg, Si, S) unable to enter the heliospheric cavity from outside because of their total ionization in the local interstellar medium.

연구 동기 및 목표

• 1 AU에서 헬리오스피어 테일까지 태양 코로나의 무거운 이온(C, N, O, Mg, Si, S)의 전역 전하 상태 변화를 조사하기 위해.
• 헬리오시아스 및 그 외부에서 이온의 전하 상태를 재구성하는 데 기여하는 전하 교환, 재결합, 이온화 과정의 역할을 평가하기 위해.
• 헬리오시아스에서 전하 교환을 통해 생성된 고에너지 중성입자(ENA)의 유량과 그들이 퍼스트업 이온(PUI)의 시드 집단으로서의 잠재적 역할을 평가하기 위해.
• 특히 태양계에 이온 형태로 진입할 수 없는 낮은 FIP 원소들에 대해 이례적 태양우주선(ACR) 생성에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 이온 에너지 및 전하 상태 변화를 결정하는 데 있어 등방성화(Coulomb 산란)와 열화학적 평형화(집단적 플라즈마 효과)의 상황을 구분하기 위해.

제안 방법

• 1 AU에서 헬리오스피어 테일까지 수소역학적 계산된 태양풍 흐름에 의해 운반되는 테스트 입자로 무거운 이온을 모델링한다.
• 방정정식(식 1)으로 구성된 미분방정식 시스템을 사용하여 이온 전하 상태의 시간적 변화를 추적하며, 이는 복사/이온화 재결합, 광이온화, 전자 충격 이온화, 전하 교환의 비율을 포함한다.
• 배경 플라즈마 매개변수(ne, np, vsw)와 몬테카를로 시뮬레이션에서 유도된 간섭성 중성수소 및 헬륨의 밀도와 속도(nH, nHe, vH)를 통합한다.
• 주로 간섭성 수소 및 헬륨 중성자에서의 전자 수용을 통해 전하 교환이 일어나며, 이는 헬리오시아스에서의 탈이온화를 주도한다.
• 두 가지 극한 경우를 분석한다: 등방성화(Coulomb 산란이 이온 에너지를 유지하여 높은 충돌 빈도를 유도함)와 열화학적 평형화(플라즈마 파동을 통한 에너지 균형화).
• 등방성화 및 열화학적 평형화 조건 하에서 헬리오스피어 전역의 다양한 전하 상태에서의 이온 밀도 분포를 공간 지도로 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초음속 태양풍에서부터 헬리오시아스와 헬리오스피어 테일까지 중성자 무거운 코로나 이온의 전하 상태는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 간섭성 중성자와의 전하 교환은 헬리오시아스에서 중성자 이온의 탈이온화에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 ~1 keV/nucleon 범위의 고에너지 중성입자(ENA)의 유량이 퍼스트업 이온(PUI)의 시드 집단으로서 충분히 중요할 수 있는가?
• RQ4 이온의 등방성화와 열화학적 평형화를 가정할 경우, 특정 전하 상태의 예측된 공간 분포와 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 외부 헬리오스피어에서 관측된 전하 상태 분포는 C, Mg, Si, S와 같은 낮은 FIP 원소의 이례적 태양우주선(ACR) 기원을 어느 정도 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 초음속 태양풍 내의 무거운 이온은 높은 전하 상태(q ≥ +Z/2)를 가지지만, 헬리오시아스에서는 훨씬 낮은 상태(0 ≤ q ≤ +Z/2)로 탈이온화되며, 이는 전하 상태 재구성의 상당한 변화를 시사한다.
• 일중 전하 상태를 가진 이온(q = +1)은 간섭성 중성자에서의 효율적인 전자 수용으로 인해 특히 헬리오파우스의 풍향 방향에서 집중된다.
• 약 1 keV/nucleon의 에너지를 가진 ENA는 헬리오시아스에서 생성되며, 특히 풍향 헬리오시아스에서 강도가 높아 전용 기기로 감지될 수 있다.
• C, Mg, Si, S의 경우 헬리오시아스에서의 ENA 유량은 간섭성 중성자 공급량을 초과할 수 있으며, 이는 외부 헬리오스피어에서 퍼스트업 이온(PUI)의 주요 공급원이 될 수 있음을 시사한다.
• 모델은 등방성화(Coulomb 산란)가 높은 충돌 빈도와 강한 탈이온화를 위해 필수적임을 예측한다; 만약 이러한 효과가 관측되지 않는다면, 플라즈마 파동을 통한 빠른 에너지 균형화를 의미할 것이다.
• 열화학적 평형 조건에서는 전하 상태 분포가 점진적인 공간 이동과 특정 전하 상태의 고밀도 '섬'을 보이며, 날카로운 전이가 아닌, 다른 플라즈마 결합 제도를 나타낸다.