[论文解读] Helioseismic and Magnetic Imager observations of linear polarization from a loop prominence system

Pascal Saint-Hilaire, J. Schou+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 7被引用 11

一句话总结

本研究首次利用SDO上的HMI探测到太阳耀斑环系统中线性偏振白光辐射，识别出托马斯散射成分占33 Mm高度处辐射的20%。偏振分析使我们得以估算出质量为8.2 × 10¹⁴ g，自由电子密度高达1.8 × 10¹² cm⁻³，从而在耀斑后日冕环中区分出散射与热辐射机制。

ABSTRACT

White-light observations by the Solar Dynamics Observatory's Helioseismic and Magnetic Imager of a loop-prominence system occurring in the aftermath of an X-class flare on 2013 May 13 near the eastern solar limb show a linearly polarized component, reaching up to $\sim$20% at an altitude of $\sim$33 Mm, about the maximal amount expected if the emission were due solely to Thomson scattering of photospheric light by the coronal material. The mass associated with the polarized component was 8.2$ imes$10$^{14}$ g. At 15 Mm altitude, the brightest part of the loop was 3(+/-0.5)% linearly polarized, only about 20% of that expected from pure Thomson scattering, indicating the presence of an additional unpolarized component at wavelengths near Fe I (617.33 nm), probably thermal emission. We estimated the free electron density of the white-light loop system to possibly be as high as 1.8$ imes$10$^{12}$ cm$^{-3}$.

研究动机与目标

• 确定X级耀斑后观测到的耀斑后环状 prominences 中增强白光辐射的物理起源。
• 确定托马斯散射与热辐射对HMI白光强度观测值的贡献比例。
• 利用HMI的偏振数据估算日冕等离子体的质量与自由电子密度。
• 评估HMI偏振能力在研究边缘耀斑及耀斑-日冕物质抛射关联方面的诊断潜力。

提出的方法

• 利用HMI在Fe I 617.33 nm线附近六个窄带波长的全斯托克斯测量，以亚百分之一的串扰水平反演斯托克斯I、Q、U和V参数。
• 通过斯托克斯Q和U计算线性偏振度，偏振度定义为P = √(Q² + U²)/I。
• 对感兴趣区域（区域A和B）的空间与时间演化进行偏振信号分析，以分离出托马斯散射成分。
• 利用光学厚度近似τ ≈ nₑLσ_T估算自由电子密度，其中路径长度L由偏振特征的FWHM或观测到的偏振度推导得出。
• 在假设柱几何结构与单位填充因子的前提下，通过电子密度与路径长度的乘积估算质量。
• 与RHESSI X射线数据及微波通量对比，有助于约束热辐射的存在，并识别通量外推中的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的耀斑后环系统白光辐射在多大程度上由托马斯散射引起，而非热辐射？
• RQ2 导致偏振白光辐射的日冕等离子体的质量与自由电子密度是多少？
• RQ3 偏振度如何随高度与时间变化，这对辐射机制有何启示？
• RQ4 HMI的偏振数据能否解决观测白光通量与轫致辐射模型预测之间数量级的差异？

主要发现

• 在33 Mm高度处，线性偏振度最高达20%，与纯托马斯散射一致，表明区域B中散射成分占主导地位。
• 在15 Mm高度处，偏振度仅为3(±0.5)%，表明存在显著的非偏振热辐射成分，可能源于自由-自由与自由-束缚过程。
• 偏振成分的质量估算为8.2 × 10¹⁴ g，这是基于偏振数据得出的动力学质量估算。
• 自由电子密度估算达1.8 × 10¹² cm⁻³，基于环的FWHM与偏振度，假设为均匀散射。
• 区域A表现出较低的偏振度与较高的推断电子密度（3.5 × 10¹¹ cm⁻³），但其发射机制复杂，可能同时涉及散射与热辐射。
• 观测到的白光通量比轫致辐射预测高出一个数量级，与存在较冷、光学厚等离子体通过热连续辐射机制发射的结论一致。