[论文解读] Hydrogen H$α$ line polarization in solar flares. Theoretical investigation of atomic polarization by proton beams considering self-consistent NLTE polarized radiative transfer

Jiří Štěpán, P. Heinzel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 27被引用 11

一句话总结

本研究探讨了太阳耀斑中的质子束是否可通过碰撞激发在氢H𝛼线中产生可测量的线性偏振。通过自洽的非局部热动平衡（non-LTE）辐射转移模型并考虑碰撞去极化效应，发现由于背景电子和质子碰撞的影响，质子束诱导的偏振被抑制在0.1%以下，且共振散射占主导地位，因此质子束不可能是观测到的H𝛼线偏振水平超过5%的来源。

ABSTRACT

Context. We present a theoretical review of the effect of impact polarization of a hydrogen H$α$ line due to an expected proton beam bombardment in solar flares. Aims. Several observations indicate the presence of the linear polarization of the hydrogen H$α$ line observed near the solar limb above 5% and preferentially in the radial direction. We theoretically review the problem of deceleration of the beam originating in the coronal reconnection site due to its interaction with the chromospheric plasma, and describe the formalism of the density matrix used in our description of the atomic processes and the treatment of collisional rates. Methods. We solve the self-consistent NLTE radiation transfer problem for the particular semiempirical chromosphere models for both intensity and linear polarization components of the radiation field. Results. In contrast to recent calculations, our results show that the energy distribution of the proton beam at H$α$ formation levels and depolarizing collisions by background electrons and protons cause a significant reduction of the effect below 0.1%. The radiation transfer solution shows that tangential resonance-scattering polarization dominates over the impact polarization effect in all considered models. Conclusions. In the models studied, proton beams are unlikely to be a satisfying explanation for the observed linear polarization of the H$α$ line.

研究动机与目标

• 评估质子束是否可通过太阳耀斑中碰撞激发在H𝛼线中产生可探测的线性偏振。
• 研究背景电子和质子碰撞在去极化质子束诱导的原子偏振中的作用。
• 评估先前假设——即质子束碰撞偏振可解释观测到的H𝛼线偏振超过5%——的有效性。
• 确定在真实日冕大气模型中，共振散射还是碰撞激发主导了出射偏振。
• 检验与观测耀斑条件一致的质子束能量分布是否能产生可测量的偏振。

提出的方法

• 求解半经验日冕大气模型（VAL F和F1）中强度和线性偏振的自洽非局部热动平衡辐射转移问题。
• 采用密度矩阵形式描述原子偏振态及在各向异性质子束存在下的碰撞速率。
• 通过库仑碰撞建模束流减速，假设注入时为单向、垂直的质子束，且具有幂律能量分布。
• 引入质子-氢和电子-氢相互作用的现实碰撞速率，包括高密度下的去极化效应。
• 采用自洽处理电离、激发和辐射转移的方法，避免先前研究中统计平衡与辐射转移解耦的做法。
• 改变束流参数（如能量截止、谱指数δ和通量），以评估其对出射偏振的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能量低于200 keV的质子束是否能在太阳耀斑的H𝛼线中产生可测量的线性偏振？
• RQ2 背景电子和质子的碰撞在日冕中在多大程度上抑制了质子束引起的原子偏振？
• RQ3 共振散射偏振与碰撞偏振相比，在决定出射Hα线偏振方面有何差异？
• RQ4 在注入时假设质子束能量分布为幂律是否能在Hα形成层产生足够的各向异性激发？
• RQ5 在真实大气条件下，仅靠质子束碰撞能否解释观测到的Hα线偏振水平（最高达10%）？

主要发现

• 在所有测试的日冕大气模型中，质子束碰撞引起的出射线性偏振被抑制在0.1%以下，主要由于强烈的去极化碰撞。
• 在所有模型中，共振散射偏振均占主导地位，尤其在VAL F模型中，其强度显著更强。
• 即使在较冷的F1模型中（束流柱质量更高），碰撞偏振仍低于0.1%，且在200 keV能量截止处未见显著增强。
• 在注入时假设幂律束流能量分布并不能在Hα形成层产生足够的各向异性激发，且分数偏振并未如先前所建议的那样随谱指数δ增加而上升。
• 理论偏振与观测到的Hα偏振超过5%的情况不一致，表明质子束碰撞不太可能是此类信号的来源。
• 可测量偏振的缺失并非仅由于束流各向同性化，而主要归因于碰撞去极化效应和共振散射的主导作用。