[論文レビュー] Spectroscopic indication of suprathermal ions in the solar corona

E. Lee, David R. Williams+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、Hinode/EISデータからのFe xv発光ライン（284.16 Å）の分光解析を用いて、太陽コロナにおける超熱的イオン集団の存在を検証する。活性領域全体にわたるラインプロファイルにkappa分布およびガウス分布モデルをフィットさせた結果、kappa分布モデルはガウス分布モデルよりも顕著に優れたフィットを示し、大多数の最良適合kappa値が3未満であった。これは、非マクスウェル的イオン集団が強く存在することを示しており、コロナ内に超熱的イオンが存在することを支持する。

ABSTRACT

Using spectroscopic data, we support the possibility of suprathermal distributions of coronal ions by fitting the equivalent kappa functions to their emission line profiles. We fit different kappa and Gaussian model functions to line profiles of the strong Fe xv line at 284.16 Angstroms, across two large-field spectroscopic rasters taken in a solar active region. Both single- and double-component Gaussian models are applied, as well as two kappa models, one with a free width parameter allowing for and the other with a constrained width that precludes "microturbulence". We then compare the goodness of fit of the computed best fits for each model. The kappa distribution is a generalization, or superset, of the Maxwellian, so they are able to fit line profiles more precisely than a Gaussian. In most of the data, the best-fit kappa model produces much lower residuals across the profile than any single Gaussian and sometimes double Gaussian. Most importantly, the distribution of estimated kappa values is found to lie mostly in the low-kappa range, implying ion populations far from Maxwellian. Even when the width is removed as a free parameter of fit, the kappa model is still able to fit the data credibly, again with low best-fit values of kappa. We find the shape of the Fe xv line, in the vast majority of the data analyzed, to be indicative of a highly suprathermal ion population.

研究の動機と目的

• 分光データを用いて、太陽コロナ内における非マクスウェル的イオン分布の存在を調査すること。
• マクスウェル分布を一般化するkappa分布が、従来のガウスモデルよりも観測されたラインプロファイルをよりよく説明できるかどうかを検証すること。
• 微乱動によるライン幅の拡大とされる過剰なライン幅拡大が、実際には超熱的イオン集団によって説明される可能性があるかどうかを検討すること。
• 微乱動仮定の妥当性を、自由幅パラメータを含む・含まないモデルを比較することで、コロナ分光法の文脈で評価すること。
• 特に活性領域環境において、コロナ内のイオン集団が熱的平衡から著しく逸脱しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 2角秒の空間分解能と22.3 mÅのスペクトル分散を有するHinodeのEUVイメージング分光計（EIS）を用いて、太陽の活性領域の大スケール分光レーザスを取得した。
• Fe xvラインプロファイル（284.16 Å）に、単一および二重成分のガウス（SGおよびDG）モデルと、自由幅パラメータを有する・ない二種類のkappa分布モデルをフィットさせた。
• 自由度のペナルティを課す reduced chi-squared（χ²）および補正済みアカイケ情報基準（AICc）を用いて、モデルのフィット度を比較した。
• kappaモデルの幅を、機器による幅拡大と熱的速度（κを介して）に限定することで、自由パラメータ数をSGモデルと一致させた。
• 1000以上の空間画素にわたる残差およびモデルフィットの質を分析し、kappaフィットの統計的有意性を評価した。
• スピッツァーの衝突時間と、非熱的粒子分布に関する先行理論的研究と比較することで、kappa分布の物理的妥当性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe xv発光ライン（284.16 Å）における観測された幅拡大は、熱的運動によるものだけを上回っているか？
• RQ2 非熱的幅拡大が存在する状況において、kappa分布モデルがガウスモデルよりもコロナラインプロファイルをよりよくフィットできるか？
• RQ3 コロナ内での過剰なライン幅拡大は、微乱動ではなく、超熱的イオン集団（kappa分布）によってよりよく説明されるか？
• RQ4 コロナ内のイオンのkappa値は一貫して低い（例：3未満）か？これは、マクスウェル平衡から著しく逸脱していることを示唆する。
• RQ5 自由幅パラメータを除き、幅を機器による幅拡大と熱的速度に制限することで、kappa分布の幅を物理的パラメータで制約できるか？その場合、フィット品質は劣化しないか？

主な発見

• kappa分布モデルは、分析されたFe xvラインプロファイルの大部分において、単一および二重ガウスモデルよりも低い残差を示した。
• 大多数のプロファイルで、最良適合kappa値は低く、主に3未満であった。これは、マクスウェル平衡から著しく逸脱した超熱的イオン集団が強く存在することを示している。
• 幅を機器および熱的幅に限定しても、kappaモデルは依然として信頼できるフィットを示し、微乱動を自由パラメータとして必要としなくなった。
• 制限付き幅のkappaモデルは、自由パラメータ数が同じ（4つ）のSGモデルと同等のフィット度を達成しており、その物理的整合性と頑健性を示している。
• 結果は、理論的予測である「コロナ内のイオンが非熱的でkappa分布状態にある」ことを支持しており、Scudder（1992b）およびPierrard & Lamy（2003）の先行研究とも整合する。
• 本研究は、分光的証拠として、超熱的イオン集団が太陽コロナにおいて一般的な特徴であることを示しており、長年にわたり広く受け入れられてきたコロナプラズマの熱的平衡仮定に疑問を呈するものである。