[论文解读] Investigating `dark' energy in the solar corona using forward modeling of MHD waves

Vaibhav Pant, Norbert Magyar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 67被引用 46

一句话总结

本研究利用三维磁流体动力学（MHD）模拟表明，日冕中多普勒速度振幅偏低与非热线宽偏高之间的表观矛盾——此前归因于‘暗’能量——实际上是由于未分辨的横向MHD波在视线（LOS）方向上的叠加所致。模拟结果表明，仅有0.2–1%的真实波能被多普勒速度捕捉，其余能量则隐藏于非热线宽之中，因此无需引入额外的未知能量源。

ABSTRACT

It is now well established that the Alfv\'enic waves are ubiquitous in the solar corona. However, the Alfv\'enic wave energy estimated from the Doppler velocity measurements in the corona was found to be four orders of magnitude less than that estimated from non-thermal line widths. McIntosh & De Pontieu (2012) suggested that this discrepancy in energy might be due to the line-of-sight (LOS) superposition of the several oscillating structures, which can lead to an underestimation of the Alfv\'enic wave amplitudes and energies. McIntosh & De Pontieu (2012) termed this coronal `dark' or `hidden' energy. However, their simulations required the use of an additional, unknown source of Alfv\'enic wave energy to provide agreement with measurements of the coronal non-thermal line widths. In this study, we investigate the requirement of this unknown source of additional `dark' energy in the solar corona using gravitationally stratified 3D magnetohydrodynamic (MHD) simulations of propagating waves. We excite the transverse MHD waves and generate synthetic observations for the Fe XIII emission line. We establish that the LOS superposition greatly reduces the Doppler velocity amplitudes and increases the non-thermal line widths. Importantly, our model generates the observed wedge-shaped correlation between Doppler velocities and non-thermal line widths. We find that the observed wave energy is only 0.2-1\% of the true wave energy which explains 2-3 orders of magnitude of the energy discrepancy. We conclusively establish that the true wave energies are hidden in the non-thermal line widths. Hence, our results rule out the requirement for an additional `dark' energy in the solar corona.

研究动机与目标

• 研究日冕中多普勒速度测量与非热线宽之间能量差异的起源。
• 检验视线（LOS）方向上未分辨MHD波运动的叠加是否能解释观测到的多普勒速度与非热线宽之间的楔形相关性。
• 确定是否需要额外的、未知的‘暗’能量源来解释日冕波能预算，如先前所建议。
• 评估重力分层与波阻尼在塑造合成CoMP类观测中观测到的线宽轮廓中的作用。
• 在不引入人工能量组分的前提下，建立真实波振幅与非热线宽展宽之间的物理解释联系。

提出的方法

• 在类似日冕的磁通管中进行重力分层的三维MHD模拟，研究传播的横向阿尔芬波。
• 在模拟区域底部（50 Mm高）施加指定波源驱动，以模拟日冕波激发。
• 使用正向建模技术生成Fe XIII 10749 Å发射线的合成观测，包括辐射转移和电离平衡计算。
• 沿视线（LOS）计算合成多普勒速度波动与非热线宽，以模拟CoMP观测。
• 将模拟得到的多普勒速度振幅与非热线宽与实际观测的相关性进行比较，特别是楔形模式。
• 进行无重力分层的对照模拟，以分离密度梯度与波反射在非热展宽中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 视线（LOS）方向上未分辨横向MHD波运动的叠加在多大程度上解释了日冕中多普勒速度振幅与非热线宽之间的观测差异？
• RQ2 能否在不添加人工能量源的前提下，通过真实的三维MHD模拟再现CoMP数据中观测到的多普勒速度波动与非热线宽之间的楔形相关性？
• RQ3 实际捕获于多普勒速度测量中的真实阿尔芬波能量占比是多少，其余能量又隐藏在何处？
• RQ4 非热线宽随高度增加后趋于平缓的现象，是由于共振吸收或数值粘性导致的波阻尼，还是主要由视线投影效应引起？
• RQ5 光致电离效应对模拟区域（特别是1.07 R⊙附近）的合成Fe XIII线轮廓是否有显著影响？

主要发现

• 多个振荡日冕结构在视线（LOS）方向上的叠加使多普勒速度振幅降低99–99.8%，导致波能被低估99–99.8%。
• 仅有0.2–1%的真实阿尔芬波能量通量被捕捉于多普勒速度波动中，这解释了观测中2–3个数量级的能量差异。
• 在无需引入额外未知能量源的情况下，成功再现了均方根（rms）多普勒速度与非热线宽之间的楔形相关性。
• 非热线宽随高度先增加后趋于平缓，这是由于密度梯度引起的波反射所致，而非波阻尼或能量损失机制。
• 在Fe XIII线建模中引入光致电离效应并未改变结果，因为在模拟区域（最高达1.07 R⊙）中碰撞激发占主导地位。
• 本研究明确排除了日冕中需要额外‘暗’能量源的可能性，因为缺失的能量完全由视线投影中未分辨的波振幅所解释。