[論文レビュー] Hydrogen H$α$ line polarization in solar flares. Theoretical investigation of atomic polarization by proton beams considering self-consistent NLTE polarized radiative transfer

Jiří Štěpán, P. Heinzel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 27被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、太陽耀斑における陽子ビームが衝突励起を通じて水素H𝛼線に測定可能な線形偏光を生成できるかどうかを検討する。自己無撞着な非局所熱平衡（NLTE）放射線輸送と衝突による偏光の消失を用いて、陽子ビームが引き起こす偏光は、背景の電子および陽子との衝突のため0.1%未塔に抑制され、共鳴散乱が支配的となる。その結果、5%を超える観測されたH𝛼偏光レベルの原因として陽子ビームは不適切であることが示された。

ABSTRACT

Context. We present a theoretical review of the effect of impact polarization of a hydrogen H$α$ line due to an expected proton beam bombardment in solar flares. Aims. Several observations indicate the presence of the linear polarization of the hydrogen H$α$ line observed near the solar limb above 5% and preferentially in the radial direction. We theoretically review the problem of deceleration of the beam originating in the coronal reconnection site due to its interaction with the chromospheric plasma, and describe the formalism of the density matrix used in our description of the atomic processes and the treatment of collisional rates. Methods. We solve the self-consistent NLTE radiation transfer problem for the particular semiempirical chromosphere models for both intensity and linear polarization components of the radiation field. Results. In contrast to recent calculations, our results show that the energy distribution of the proton beam at H$α$ formation levels and depolarizing collisions by background electrons and protons cause a significant reduction of the effect below 0.1%. The radiation transfer solution shows that tangential resonance-scattering polarization dominates over the impact polarization effect in all considered models. Conclusions. In the models studied, proton beams are unlikely to be a satisfying explanation for the observed linear polarization of the H$α$ line.

研究の動機と目的

• 太陽耀斑における衝突励起を通じて、陽子ビームがH𝛼線に検出可能な線形偏光を生成できるかどうかを評価すること。
• 背景の電子および陽子との衝突が、陽子ビームによって誘発される原子偏光をどの程度減少させるかを調査すること。
• 以前の研究で提案された仮定、すなわち陽子ビームの衝突による偏光が5%を超える観測されたH𝛼線偏光を説明できるという仮定の妥当性を評価すること。
• 現実的なコアスフェアモデルにおいて、共鳴散乱と衝突励起のどちらが出射偏光を支配するかを特定すること。
• 観測された耀斑条件に一致する陽子ビームエネルギー分布が、測定可能な偏光を生成できるかどうかを検証すること。

提案手法

• 半経験的コアスフェアモデル（VAL FおよびF1）における強度および線形偏光の自己無撞着な非局所熱平衡（NLTE）放射線輸送問題を解く。
• アトムの偏光状態と衝突率を記述するために密度行列形式を用い、非対称な陽子ビームの存在下での状態を記述する。
• イオン化、励起、放射線輸送の自己無撞着な取り扱いを行い、先行研究で用いられた統計的平衡と放射線輸送の分離を避ける。
• Coulomb衝突によるビーム減速を仮定し、インジェクション時のエネルギー分布がべき乗則に従う一様な垂直方向の陽子ビームを想定する。
• 陽子-水素および電子-水素相互作用からの現実的な衝突率を組み込み、高密度での偏光消失効果を含む。
• エネルギーカットオフ、スペクトル指数δ、フラックスなどのビームパラメータを変化させ、出射偏光に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 200 keV未塔のエネルギーを持つ陽子ビームは、太陽耀斑におけるH𝛼線に測定可能な線形偏光を生成できるか？
• RQ2 コアスフェアにおける背景の電子および陽子との衝突は、どの程度衝突誘発原子偏光を抑制するか？
• RQ3 共鳴散乱による偏光と衝突による偏光の両者を比較し、出射H𝛼線偏光を決定づける要因としてどちらが優勢か？
• RQ4 インジェクション時のべき乗則に従う陽子ビームエネルギー分布の仮定は、H𝛼形成層での十分な非対称励起を生じさせるか？
• RQ5 現実的な大気条件のもとで、観測されたH𝛼線偏光レベル（最大10%）が陽子ビーム衝突のみによって説明可能か？

主な発見

• すべてのテストされたコアスフェアモデルにおいて、陽子ビーム衝突に起因する出射線形偏光は、強い偏光消失衝突のため0.1%未塔に抑制される。
• 共鳴散乱による偏光がすべてのモデルで衝突による偏光を上回り、特にVAL Fモデルでは顕著に強い。
• F1モデルのような冷却モデルでも、ビームの柱密度が高いため、衝突偏光は0.1%未塔のままであり、200 keVのエネルギーカットオフで顕著な増幅は認められない。
• インジェクション時のべき乗則エネルギー分布の仮定は、H𝛼形成層での十分な非対称励起を生じさせず、以前に示唆されたようにスペクトル指数δの増加に伴い偏光率が上昇しない。
• 理論的偏光は、5%を超えるH𝛼偏光の観測と一致せず、陽子ビーム衝突がそのような信号の原因である可能性は低い。
• 測定可能な偏光の欠如は、主にビームの非対称性消失によるものではなく、衝突による偏光消失と共鳴散乱の支配的影響によるものである。