[论文解读] Helium-like triplet density diagnostics: Applications to CHANDRA--LETGS X-ray observations of Capella and Procyon

Jan‐Uwe Ness, R. Mewe+7 more|ArXiv.org|Dec 11, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 37被引用 61

一句话总结

本研究利用钱德拉望远镜的LETGS进行高分辨率X射线谱线观测，通过氦-like三重线线强比（f/i/r）推导出御夫座α（Capella）和小犬座α（Procyon）日冕中的电子密度。基于改进的原子模型，得出密度约为10^9.4 cm⁻³，表明其日冕结构与太阳活动区相似，但填充因子更高；环形磁力线尺度定律表明，Capella的磁力线至少比Procyon长8倍，暗示尽管等离子体温度和表面通量相似，其磁拓扑结构仍存在根本性差异。

ABSTRACT

Electron density diagnostics based on the triplets of Helium-like CV, NVI, and OVII are applied to the X-ray spectra of Capella and Procyon measured with the Low Energy Transmission Grating Spectrometer (LETGS) on board the Chandra X-ray Observatory. New theoretical models for the calculation of the line ratios between the forbidden (f), intercombination (i), and the resonance (r) lines of the helium-like triplets are used. The derived densities are quite typical of densities found in the solar active regions, and also pressures and temperatures in Procyon's and Capella's corona at a level of T=10^6K are quite similar. We find no evidence for densities as high as measured in solar flares. Comparison of our Capella and Procyon measurements with the Sun shows little difference in the physical properties of the layers producing the CV, NVI, and OVII emission. Assuming the X-ray emitting plasma to be confined in magnetic loops, we obtain typical loop length scales of L_Capella > 8 L_Procyon from the loop scaling laws, implying that the magnetic structures in Procyon and Capella are quite different. The total mean surface fluxes emitted in the helium- and hydrogen-like ions are quite similar for Capella and Procyon, but exceed typical solar values by one order of magnitude. We thus conclude that Procyon's and Capella's coronal filling factors are larger than corresponding solar values.

研究动机与目标

• 利用钱德拉望远镜的LETGS获取的高分辨率X射线谱线，测定御夫座α和小犬座α日冕中的电子密度。
• 评估这些晚型恒星X射线发射等离子体中的物理条件（温度、压强、密度）。
• 将御夫座α和小犬座α的日冕特性与太阳及其他恒星进行比较，重点关注发射量、填充因子和磁力线环结构。
• 探究观测到的X射线发射是否源于相似的等离子体条件，或源于不同的磁力线构型。

提出的方法

• 利用钱德拉X射线天文台上的低能透射光栅光谱仪（LETGS）获取御夫座α和小犬座α的高分辨率X射线谱线。
• 通过氦-like C v、N vi和O vii三重线的f/i线强比进行电子密度诊断。
• 使用新的理论模型计算禁线（f）、间合线（i）和共振线（r）的线强比，从而根据观测到的f/i比值推导电子密度。
• 利用从N vi和O viii线获得的温度与推导出的密度计算日冕压强。
• 应用环形磁力线尺度定律（Rosner et al. 1978），从最大温度和压强估算典型环形结构的长度尺度。
• 对表面通量进行距离、曝光时间及恒星表面积的修正，以比较御夫座α、小犬座α与太阳之间的X射线发射。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于氦-like三重线线强比，御夫座α和小犬座α日冕中的电子密度是多少？
• RQ2 御夫座α和小犬座α中的物理条件（温度、压强、密度）与太阳日冕相比如何？
• RQ3 御夫座α和小犬座α中的X射线发射等离子体结构是否与磁力线环约束一致？若一致，其推导出的环形结构尺度是多少？
• RQ4 在表面通量相似的条件下，御夫座α和小犬座α中X射线发射等离子体的相对填充因子与太阳相比如何？
• RQ5 为何御夫座α和小犬座α尽管具有相似的温度和通量，却表现出截然不同的环形结构尺度？

主要发现

• 在御夫座α中，O vii的电子密度上限为<9.38 cm⁻³（95%置信区间，2σ），f/i = 4.0 ± 0.25，表明为低至中等密度等离子体。
• 在御夫座α中，N vi的推导密度为9.86 ± 0.12 cm⁻³（f/i = 1.78 ± 0.25），与太阳活动区条件一致。
• 在御夫座α中，C v的密度为9.42 ± 0.21 cm⁻³（f/i = 1.48 ± 0.34），再次符合太阳日冕等离子体的典型特征。
• 在小犬座α中，O vii的密度为9.28⁺⁰.⁴₋₀.⁹²⁸ cm⁻³（f/i = 3.28 ± 0.3），N vi为9.96 ± 0.23 cm⁻³（f/i = 1.33 ± 0.28），C v为<8.92 cm⁻³，全部处于太阳活动区的典型范围内。
• 在C、N、O的氦-和氢-类离子中，御夫座α和小犬座α的总平均表面通量相似，比太阳值高出约一个数量级。
• 环形磁力线尺度定律表明，御夫座α的磁力线长度至少是小犬座α的8倍，暗示尽管等离子体温度和发射量相似，其磁结构尺度仍存在显著差异。