[论文解读] Are stellar coronae optically thin in X-rays? - A systematic investigation of opacity effects

Jan‐Uwe Ness, J. H. M. M. Schmitt+3 more|Archive ouverte UNIGE (University of Geneva)|Jun 16, 2003

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 23被引用 41

一句话总结

本研究通过分析使用XMM-Newton和Chandra衍射光栅仪器获得的26颗恒星的高分辨率X射线谱，调查恒星日冕在X射线波段是否为光学薄。研究未发现共振散射或显著光学深度效应的有力证据，结论认为日冕等离子体本质上是光学薄的，观测与原子数据库之间的差异更可能源于发射率的不确定性，而非消光效应。

ABSTRACT

The relevance of resonant scattering (absorption by photo-excitation and re-emission out of the line of sight) in the solar corona has always been discussed controversially. Ratios of emission lines from identical ions but different oscillator strengths are tracers for damping of resonance lines due to possible resonant scattering. We present an analysis of a large sample of 44 stellar spectra obtained with all gratings on board Chandra and XMM-Newton and systematically measure line ratios of FeXVII lines at 15.27A and 16.78A lines to the resonance line at 15.03A as well as the He-like f/r ratio of OVII and NeIX. The same ratios obtained from optically thin plasma atomic databases such as MEKAL, Chianti, and APEC are found to be discrepant, however, we find no convincing proof for resonance line scattering. Optical depths are basically identical for all kinds of stellar coronae and we conclude that identical optical depths are more probable when effects from resonant scattering are generally negligible. The 15.27/15.03A ratio shows a regular trend suggesting blending of the 15.27A line by a cooler Fe line, possibly FeXVI. The He-like f/r ratios for O and Ne show no indication for significant damping of the resonance lines. We mainly attribute deviations from the atomic databases to still uncertain emissivities which do not agree well with laboratory measurements and which come out with differing results when accounting for one or the other side effect.

研究动机与目标

• 评估共振散射和光学深度效应在恒星日冕中是否显著，以挑战等离子体为光学薄的假设。
• 研究恒星日冕中观测到的X射线谱线强度比为何偏离光学薄等离子体模型（如MEKAL、Chianti和APEC）的预测。
• 确定谱线强度比的差异（特别是Fe xvii和He-like离子）是否表明可观测的消光效应，或仅源于原子数据的不确定性。
• 将恒星观测结果与太阳数据进行比较，因为太阳局部区域中更易于探测到共振散射效应。
• 评估全局恒星观测是否因积分效应而平均掉共振散射效应，使其虽存在但无法被探测到。

提出的方法

• 利用XMM-Newton的RGS和Chandra的LETGS/HETGS获取了26个恒星日冕的44次高分辨率X射线谱观测。
• 测量涉及Fe xvii（15.03 Å、15.27 Å、16.78 Å）和He-like离子（O vii、Ne ix）的谱线流量比，以探测光学深度和共振散射效应。
• 将观测到的谱线强度比与光学薄等离子体数据库（MEKAL、Chianti、APEC）的预测值进行比较，以识别可能指示消光效应的偏差。
• 将15.27/15.03 Å强度比作为温度结构导致与较冷Fe xvi线混合的潜在指标进行分析。
• 评估He-like离子的f/r比（禁线与共振线强度比）以探测由共振散射引起的展宽效应。
• 评估几何效应的作用，特别是太阳局部观测与恒星全局积分观测之间的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星日冕在X射线波段是否为光学薄？还是共振散射和光学深度效应显著改变了观测到的谱线强度比？
• RQ2 为何恒星日冕中观测到的Fe xvii和He-like离子谱线强度比偏离光学薄等离子体模型的预测？
• RQ3 恒星与太阳观测之间谱线强度比的差异是否源于共振散射，还是源于原子发射率的不确定性？
• RQ4 为何在太阳观测中可探测到共振散射效应，而在全局恒星观测中却无法探测到，尽管物理条件相似？
• RQ5 恒星数据中几何结构和观测积分效应在多大程度上掩盖或抵消了共振散射效应？

主要发现

• 在所研究的26个恒星日冕中，未发现共振散射或显著光学深度效应的有力证据。
• Fe xvii的15.27/15.03 Å谱线强度比表现出一致趋势，表明其可能与较冷的Fe xvi线混合，而非由共振散射引起。
• O vii和Ne ix的He-like离子f/r比未显示展宽迹象，表明恒星日冕中共振散射可忽略不计。
• 从谱线强度比推导出的光学深度在所有恒星类型中几乎相同，从不活跃星到高度活跃星均无明显差异，表明显著的消光效应可能性极低。
• 与理论数据库的偏差更可能源于原子发射率的不确定性，而非消光或共振散射效应。
• 在X射线光度跨度达四个数量级的广泛范围内，谱线强度比保持一致，这削弱了存在显著光学深度差异的可能性，支持光学薄假设。