[論文レビュー] Implications of Flat Optically Thick Microwave Spectra in Solar Flares for Source Size and Morphology

Shaheda Begum Shaik, Dale E. Gary|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 39被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、EOVSAの高分解能マイクロ波スペクトルを用いて、太陽耀斑における平坦な光学的厚いスペクトル（αₗ ≤ 1.0）が、均一なプラズマではなく、空間的に不均一で拡張した源、または複数の発光成分に起因することを示した。平坦スペクトルは、12件の解析対象耀斑の42％で観測され、特に減衰期に顕著で、2.6–3 GHzで120′′以上の大規模で複雑な発光体積（≥120′′）を示しており、低密度のコロナ領域における広範な粒子加速と捕捉を示唆し、太陽高エネルギー粒子（SEP）の供給に重要な意味を持つ。

ABSTRACT

The study aims to examine the spectral dynamics of the low-frequency, optically thick gyrosynchrotron microwave emission in solar flares to determine the characteristics of the emitting source. We present the high-resolution spectra of a set of microwave bursts observed by the Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) during its commissioning phase in the $2.5-18$ GHz frequency range with $1$ second time resolution. Out of the 12 events analyzed in this study, nine bursts exhibit a direct decrease with time in the optically thick spectral index $\alpha_l$, an indicator of source morphology. Particularly, five bursts display "flat" spectrum ($\alpha_l\leq1.0$) compared to that expected for a homogeneous/uniform source ($\alpha_l\approx2.9$). These flat spectra at the low-frequencies (<$10$ GHz) can be defined as the emission from a spatially inhomogeneous source with a large area and/or with multiple emission components. In a subset of six events with partial cross-correlation data, both the events with flat spectra show a source size of $\sim120$ arcsec at $2.6-3$ GHz. Modeling based on inhomogeneity supports the conclusion that multiple discrete sources can only reproduce a flat spectrum. We report that these flat spectra appear predominantly in the decay phase and typically grow flatter over the duration in most of the bursts, which indicates the increasing inhomogeneity and complexity of the emitting volume as the flare progresses. This large volume of flare emission filled with the trapped energetic particles is often invisible in other wavelengths, like hard X-rays, presumably due to the collisionless conditions in these regions of low ambient density and magnetic field strength.

研究の動機と目的

• 均一な源に対して予想されるαₗ ≈ 2.9とは異なる、太陽耀斑における平坦な光学的厚いマイクロ波スペクトル（αₗ ≤ 1.0）の起源を調査すること。
• 高分解能のスペクトルおよび可視度データを用いて、低周波数（2.5–18 GHz）の光学的厚い領域におけるマイクロ波源の空間的形状とサイズを特定すること。
• 平坦スペクトルが空間的不均一性に起因するのか、それとも複数の離散的発光成分に起因するのかを評価すること。
• 耀斑の減衰期におけるスペクトル指数αₗの時間的変化を検討し、源の複雑さの変化を推測すること。
• 大規模で拡張的かつ光学的厚いマイクロ波源が、太陽耀斑のエネルギー放出および粒子加速に果たす役割、特に低密度コロナ領域における役割を評価すること。

提案手法

• 2015年のEOVSAの導入フェーズにおける12件のマイクロ波バーストを分析し、1秒間隔の時間分解能および約40 MHzの周波数分解能を有するキャリブレーション済み全電力データとキャリブレーション未実施のクロス相関データを用いた。
• 導入フェーズ中に完全なキャリブレーションが得られなかったため、クロス相関データから導出された擬似相対可視度を用いて源のサイズを推定した。
• 複数の不均一なギロシンクロトロンモデルを適用し、電子エネルギー指数（δ）、磁場（B₀）、源の厚さ（L₀）、面積（A₀）などのパラメータを変化させて観測スペクトルを再現した。
• χ²最小化法を用いてモデルスペクトルを観測された放射度にフィットさせた：χ² = Σ[S(νᵢ) − Sm(νᵢ)]² / σᵢ²、ここでαₗは低周波数スペクトル傾きを制御する自由パラメータとした。
• 2017年9月10日の1件のイベントについて、EOVSAとNoRH（17 GHz）の完全な画像データを用いて手法の妥当性を検証し、RHESSIのハードX線およびAIA/HMIの磁場データと比較した。
• 源体積（Vⱼ = AⱼLⱼ）をモデル化して空間的広がりを評価した。特に、平坦スペクトルが支配的となる低周波数領域で注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽耀斑における平坦な光学的厚いマイクロ波スペクトル（αₗ ≤ 1.0）の原因は何であり、均一な源に対して予想されるスペクトルとはどのように異なるか？
• RQ2 平坦スペクトルを発生させるマイクロ波源の空間的サイズと形状は何か、特に低周波数（<10 GHz）においては？
• RQ3 スペクトル指数αₗは時間経過とともにどのように変化し、その変化が源の複雑さおよび不均一性に何を示唆するか？
• RQ4 平坦スペクトルは1つの不均一な源によって再現可能か、それとも複数の離散的発光成分の存在が不可欠か？
• RQ5 平坦スペクトル、大規模な源面積、および活動領域の磁場配置との関係は何か？

主な発見

• 解析対象12件の耀斑のうち9件で、減衰期にわたり光学的厚いスペクトル指数αₗが顕著に低下し、時間経過とともに源の不均一性および複雑さが増加していることが示された。
• 12件のうち5件の耀斑で、低周波数（<10 GHz）で平坦スペクトル（αₗ ≤ 1.0）が観測され、これは均一な源モデルとは整合せず、空間的不均一性または複数の発光成分を必要とする。
• 平坦スペクトルを示したイベントでは、2.6–3 GHzで約120′′の源サイズを示し、通常の低周波数源（A ∝ ν⁻²に従う）と比較して顕著に大きく、異常な広がりを示した。
• 7個の離散的成分を含むモデル化により、観測された平坦スペクトルを成功裏に再現でき、有効な総源面積は約1290 arcsec²（等価円形サイズ約40 arcsec）に相当し、個々の成分の面積は108～284 arcsec²の範囲であった。
• モデル化された発光体積（Vⱼ = AⱼLⱼ）は大きく、周波数が低下するにつれて増加しており、平坦スペクトルを生成するには拡張的かつ不均一な構造が必要であることを示唆した。
• 平坦スペクトルを示す耀斑は、主に複雑なβγδ磁場配置に関連しており、必ずしも高放射度のイベントとは限らず、スペクトル形状が放射度の強度よりも源の形状に優れた指標である可能性を示唆した。