[論文レビュー] Non-thermal electron energization during the impulsive phase of an X9.3 flare revealed by Insight-HXMT

P. Zhang, Wei Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、太陽フレア SOL20170906T11:55 の衝撃的段階において、Insight-HXMT および RSTN データを用いて、非熱的電子の励起が明らかにされた。硬X線およびマイクロ波放射における準周期的パルセーション（QPPs）の分析により、36.6 ± 0.6′′ の半径を有する安定したガロアシンクロトロン源が特定され、平均横磁場が 608.2 G、ピーク時の非熱的電子密度が約 10⁶.⁷ cm⁻³ であった。これは、下部コロナにおける繰り返し磁気リコネクションが加速機構であることを示唆している。

ABSTRACT

The X9.3 flare SOL20170906T11:55 was observed by the CsI detector aboard the first Chinese X-ray observatory Hard X-ray Modulation telescope (Insight-HXMT). By using wavelets method, we report about 22 s quasiperiodic pulsations(QPPs) during the impulsive phase. And the spectra from 100 keV to 800 keV showed the evolution with the gamma-ray flux, of a power-law photon index from $\sim 1.8$ before the peak, $\sim 2.0$ around the flare peak, to $\sim 1.8$ again. The gyrosynchrotron microwave spectral analysis reveals a $36.6 \pm 0.6 \arcsec$ radius gyrosynchrotron source with mean transverse magnetic field around 608.2 Gauss, and the penetrated $\ge$ 10 keV non-thermal electron density is about $10^{6.7} \mathrm{cm}^{-3}$ at peak time. The magnetic field strength followed the evolution of high-frequency radio flux. Further gyrosynchrotron source modeling analysis implies that there exists a quite steady gyrosynchrotron source, the non-thermal electron density and transverse magnetic field evolution are similar to higher-frequency light curves. The temporally spectral analysis reveals that those non-thermal electrons are accelerated by repeated magnetic reconnection, likely from a lower corona source.

研究の動機と目的

• 主要な X9.3 太陽フレアの衝撃的段階における非熱的電子の起源と進化を調査すること。
• 多波長観測を用いて、ガロアシンクロトロン源の空間的および磁場的性質を特定すること。
• 硬X線およびマイクロ波放射の相関を検討し、共通の高エネルギー電子集団を推定すること。
• ガロアシンクロトロン源のモデル化を行い、フレアの衝撃的段階における電子密度および磁場の進化を制約すること。

提案手法

• 約 22 秒の周期を有する準周期的パルセーション（QPPs）を検出するため、Insight-HXMT の CsI 硬X線光曲線にウェーブレット解析を適用した。
• 100 keV から 800 keV のエネルギー範囲で硬X線データの時間分解スペクトルフィッティングを実施し、光子指数の進化を導出した。
• RSTN マイクロ波データを用いたガロアシンクロトロン（GS）源モデリングにより、横磁場強度および非熱的電子密度を推定した。
• 8.8、11.2、15.4 GHz における GS モデル光曲線を観測された電波光曲線と比較し、源パラメータの妥当性を検証した。
• 硬X線および電波光曲線の相関を分析し、時間遅れを評価し、電子ビームの伝搬ダイナミクスを推定した。
• スペクトル的および時間的進化が、下部コロナにおける繰り返し磁気リコネクションと整合することを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フレアの衝撃的段階中に観測された硬X線およびマイクロ波放射における約 22 秒の準周期的パルセーション（QPPs）の性質と起源は何か？
• RQ2 マイクロ波放射を担うガロアシンクロトロン源の空間的および磁場的性質は何か？
• RQ3 非熱的電子密度および磁場は衝撃的段階中にどのように変化するのか？ これは加速機構に何を示唆するか？
• RQ4 硬X線と電波光曲線の間に時間遅れが生じる理由は何か？ これは電子ビームの伝搬に何を示唆するか？
• RQ5 観測された QPP 挙動は、下部コロナにおける繰り返し磁気リコネクションイベントと整合するか？

主な発見

• 硬X線およびマイクロ波放射の両方で約 22 秒の準周期的パルセーション（QPPs）が検出され、高エネルギー電子集団のコherentな変調を示している。
• 硬X線スペクトルは、ピーク前の光子指数約 1.8 からピーク時の約 2.0 に変化し、再び約 1.8 に戻った。これは非熱的電子エネルギー分布の変動を示している。
• ガロアシンクロトロン源の半径は 36.6 ± 0.6′′、平均横磁場は 608.2 ガウスであり、下部コロナ由来であると整合的である。
• ピーク時の非熱的電子密度は約 10⁶.⁷ cm⁻³ であり、電子密度および磁場の両方が、高周波数電波光曲線と一致する安定した進化を示した。
• 硬X線と電波光曲線の間の時間遅れは、高エネルギー電子が加速地点から放射領域へ到達するまで数秒の時間を要することを示唆している。
• 約 22 秒の QPP は繰り返し磁気リコネクションに一致するが、より長い約 80 秒の QPP は長寿命のガロアシンクロトロン源を示し、下部コロナに位置する加速源を支持する。