[論文レビュー] Similarities of magnetoconvection in the umbra and in the penumbra of sunspots

B. Löptien, A. Lagg+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 54被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、Hinode/SOT観測を用いて、2つの sunspot の umbra における umbral dots と penumbra における penumbral filaments を比較し、umbra-penumbra 界面を越えて物理的性質に強い類似性が見られることを明らかにした。結果は、境界での明るさの急激な増加が、対流要素の密度の不連続性によるものではなく、磁場の幾何構造の変化に起因する、より大きな明るい filaments における強化された磁気対流効率によるものであることを示している。特に、垂直磁場強度の低下と傾きの増加が関与している。

ABSTRACT

Context. It is unclear why there is a rather sharp boundary in sunspots between the umbra and the penumbra. Both regions exhibit magnetoconvection, manifesting in penumbral filaments in the penumbra and in umbral dots in the umbra. Aims. Here we compare the physical properties of umbral dots and penumbral filaments. Our goal is to understand how the properties of these convective features change across the boundary between the umbra and the penumbra and how this is related to the rapid increase in brightness at the umbra-penumbra boundary. Methods. We derived ensemble averages of the physical properties of different types of convective features based on observations of two sunspots with Hinode. Results. There are strong similarities between the convective features in the outer parts of the umbra and the ones in the penumbra, with most physical parameters being smooth and continuous functions of the length of the features. Conclusions. Our results indicate that the transition in brightness from the umbra to the penumbra is solely caused by an increased effectiveness of magnetoconvection within individual convective cells. There is no significant difference in the number density of convective elements between the outer umbra and the inner penumbra. Penumbral filaments exhibit a larger area and a higher brightness compared to umbral dots. It is still unclear, how exactly the underlying magnetic field causes the increase in size and brightness of convective features in the penumbra.

研究の動機と目的

• umbra-penumbra 界面を越えて umbral dots と penumbral filaments の物理的差異を理解すること。
• umbra-penumbra 界面における明るさの急激な増加が、対流要素の密度の不連続性に起因するのか、それとも個々の特徴の性質の変化に起因するのかを調査すること。
• 磁場構造（強度と傾き）が、sunspot の対流特徴のサイズ、明るさ、流れの性質に与える影響を特定すること。
• 以前に提唱されたように、umbra-penumbra 界面が垂直磁場強度の閾値によって定義されるかどうかを評価すること。
• 磁場幾何構造が、compact な umbral dots から延長された penumbral filaments への遷移をどのように駆動しているかを検討すること。

提案手法

• Hinode/SOT/SP を用いて、2つの sunspot（AR 10923 と AR 10933）の高分解能分光偏光観測を実施し、空間分解能 0.16′′ を達成した。
• L谷仮定の下で、3つの光学的厚さノード（log τ = −2.5, −0.9, 0）を用いて、Stokes パラメータの空間的結合型反転を SPINOR コードを用いて実行した。
• 非保存磁場計算（NPFC）法を用いて、磁場の方位角180°の不確実性を解消した。
• 位置、形状、流れの特徴に基づき、対流特徴を中心 umbra ドット（CUDs）、周辺 umbra ドット（PUDs）、および penumbral filaments（内側と外側 penumbra）に分類した。
• 各特徴タイプの中央軸に沿った平均物理的性質（強度、磁場、速度、傾き）を導出するために、アンサンブル平均を適用した。
• 観測分解能とノイズ制限を考慮した上で、特徴の性質（長さ、明るさ、速度）と局所的な磁場パラメータ（Bz と傾き γ）の相関を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 umbral dots と penumbral filaments の物理的性質は、umbra-penumbra 界面を越えて急激に変化するのか、それとも滑らかに変化するのか？
• RQ2 umbra-penumbra 界面における明るさの急激な増加は、対流要素の数密度の不連続性に起因するのか？
• RQ3 磁場強度（Bz）と傾き（γ）の変化が、umbral dots よりも大きなサイズと明るさを示す penumbral filaments の形成にどの程度寄与しているのか？
• RQ4 Jurčák ら（2018）が提唱したように、umbra-penumbra 界面は固定された垂直磁場強度の閾値によって説明可能なのか？
• RQ5 流れの速度と特徴内の磁場幾何構造は、境界を越えてどのように変化するのか？また、それらはエネルギー輸送にどのような役割を果たすのか？

主な発見

• 外 umbra に存在する umbral dots と内側 penumbra に存在する penumbral filaments の物理的性質には強く類似性があり、ほとんどのパラメータが umbra-penumbra 界面を越えて滑らかに変化している。
• penumbral filaments は、umbral dots よりも顕著に面積が大きく、明るく、線形速度が高くなっている（最大約 ~3000 m/s）、磁場の傾きも強い。
• 外 umbra と内側 penumbra 間で、対流要素の数密度に顕著な不連続性は認められず、明るさのジャンプの原因が密度変化である可能性は排除された。
• umbra-penumbra 界面における明るさの増加は、主に個々の penumbral filaments における磁気対流効率の向上に起因しており、要素数の変化によるものではない。
• 対流特徴の長さと明るさは、垂直磁場強度（Bz）の低下と磁場傾き（γ）の増加と強く相関しているが、本研究では両要因を独立に解明することはできなかった。
• 境界での Bz や γ に不連続性が認められず、特徴の性質が滑らかに変化していることから、penumbra は磁場幾何構造と強度の共同作用によって徐々に形成されるものであると考えられる。