[論文レビュー] Observations of quasi-periodic solar X-ray emission as a result of MHD oscillations in a system of multiple flare loops

I. V. Zimovets, A. B. Struminsky|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 27被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、2002年10月20日の flares における太陽X線放射の準周期的パルセーション（QPP）が、複数のフレアループ系における磁流力学的（MHD）振動に起因すると提案している。非熱的ハードX線放射における36秒のQPPは、2つのフレア系を接続するループ構造における高速MHD振動に起因し、一方、熱的放射における16秒のQPPは、西北（NW）フレアループ系におけるグローバルソーサージュモード振動に起因しており、急激発光期に持続し、減衰期にかけて減衰する。

ABSTRACT

We investigate the solar flare of 20 October 2002. The flare was accompanied by quasi-periodic pulsations (QPP) of both thermal and nonthermal hard X-ray emissions (HXR) observed by RHESSI in the 3-50 keV energy range. Analysis of the HXR time profiles in different energy channels made with the Lomb periodogram indicates two statistically significant time periods of about 16 and 36 seconds. The 36-second QPP were observed only in the nonthermal HXR emission in the impulsive phase of the flare. The 16-second QPP were more pronounced in the thermal HXR emission and were observed both in the impulsive and in the decay phases of the flare. Imaging analysis of the flare region, the determined time periods of the QPP and the estimated physical parameters of magnetic loops in the flare region allow us to interpret the observations as follows. 1) In the impulsive phase energy was released and electrons were accelerated by successive acts with the average time period of about 36 seconds in different parts of two spatially separated, but interacting loop systems of the flare region. 2) The 36-second periodicity of energy release could be caused by the action of fast MHD oscillations in the loops connecting these flaring sites. 3) During the first explosive acts of energy release the MHD oscillations (most probably the sausage mode) with time period of 16 seconds were excited in one system of the flare loops. 4) These oscillations were maintained by the subsequent explosive acts of energy release in the impulsive phase and were completely damped in the decay phase of the flare.

研究の動機と目的

• 2002年10月20日の太陽フレア中の熱的および非熱的ハードX線（HXR）放射における準周期的パルセーション（QPP）の起源を調査すること。
• 観測されたQPPが、空間的に分離しているが相互作用するフレアループ系におけるMHD振動に起因するかどうかを特定すること。
• 高速MHD波およびグローバルソーサージュモードが、電子加速およびX線放射をどのように制御するかを検討すること。
• QPPが、ランダムまたは偶然的なプロセスではなく、MHD振動に連動する周期的エネルギー放出に起因するという仮説を検証すること。
• RHESSIの画像、スペクトルおよび時間的データを照合し、フレアループの物理的パラメータおよびその振動的挙動を同定すること。

提案手法

• 3–50 keVエネルギー範囲におけるHXR光曲線の解析に、4秒の時間分解能を有するRHESSI X線データを用いた。
• 複数のエネルギーチャンネルにおけるHXR時間プロファイルに統計的に有意な周期性を検出するために、Lomb周期解析を適用した。
• フレア領域の画像解析を通じて、空間的に明確に分離されたループ系（NWおよびSE）および接続ループ型構造を同定した。
• 放射度および磁場の仮定に基づき、ループ長（25–35 Mm）、電子プラズマ密度（10¹⁰–10¹¹ cm⁻³）、アルベールン速度（700–2200 km/s）などの物理的パラメータを推定した。
• 観測された振動周期（16秒および36秒）を理論的MHD波モードと比較し、特にグローバルソーサージュモードおよび高速MHD波を検討した。
• 観測されたQPPが、MHD駆動による電子加速および放射調制の理論的モデルと整合するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2002年10月20日の太陽フレアにおける熱的および非熱的ハードX線放射における16秒および36秒の準周期的パルセーション（QPP）の原因は何か？
• RQ2 これらのQPPはフレアループ系におけるMHD振動に起因するものであり、その場合、どのモード（例えば、ソーサージュ、高速MHD）が関与しているか？
• RQ3 なぜ16秒のQPPは急激発光期および減衰期の両方で観測されるのに対し、36秒のQPPは急激発光期でのみ観測されるのか？
• RQ4 フレアループの物理的パラメータ（長さ、密度、アルベールン速度）は、観測された振動をMHD波として同定するのにどのように寄与するか？
• RQ5 観測されたQPPは、独立的かつランダムなフレアバーストではなく、MHD波動ダイナミクスに連動する周期的エネルギー放出によって説明可能か？

主な発見

• 統計的に有意な2つのQPP周期が特定された：熱的HXR放射における16秒および非熱的HXR放射における36秒。
• 非熱的放射における36秒のQPPは、急激発光期にのみ観測され、2つのフレア系を接続するループ型構造における高速MHD振動に起因すると解釈された。
• 熱的放射における16秒のQPPは、急激発光期および減衰期の両方で観測され、西北（NW）フレアループ系におけるグローバルソーサージュモード振動に起因するとされた。
• 磁場強度B ≈ 100 Gにおける接続ループ構造のアルベールン速度（700–2200 km/s）は、36秒の振動の位相速度とよく一致しており、MHD波の解釈を支持する。
• NWループ系は減衰期にわたり構造を維持しており、減衰する16秒の振動を継続的に観測できたが、SE系および接続構造は熱的HXR画像から消失した。
• NWループの物理的パラメータ（25–35 Mmの長さ、10¹⁰–10¹¹ cm⁻³の密度）は、過去の16秒の電波QPP研究におけるものと整合しており、ソーサージュモード解釈を強化する。