[论文解读] Lithium-6 from Solar Flares

R. Ramaty, V. Tatischeff+3 more|ArXiv.org|Mar 23, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 18

一句话总结

本文提出，太阳耀斑中加速的³He通过⁴He(³He,p)⁶Li反应产生的⁶Li远多于⁷Li，从而解释了太阳风中测得的⁶Li/⁷Li比值为0.032 ± 0.004。利用伽马射线数据对耀斑粒子谱进行归一化后，该模型表明，若大部分⁶Li由太阳风喷射，则耀斑产生的⁶Li与光球层的⁷Li共同解释了观测到的太阳风同位素比值。

ABSTRACT

By introducing a hitherto ignored Li-6 producing process, due to accelerated He-3 reactions with He-4, we show that accelerated particle interactions in solar flares produce much more Li-6 than Li-7. By normalizing our calculations to gamma-ray data we demonstrate that the Li-6 produced in solar flares, combined with photospheric Li-7, can account for the recently determined solar wind lithium isotopic ratio, obtained from measurements in lunar soil, provided that the bulk of the flare produced lithium is evacuated by the solar wind. Further research in this area could provide unique information on a variety of problems, including solar atmospheric transport and mixing, solar convection and the lithium depletion issue, and solar wind and solar particle acceleration.

研究动机与目标

• 解决光球层⁶Li/⁷Li比值偏低与月壤中测得的较高太阳风比值之间的矛盾。
• 探究太阳耀斑是否能产生足够多的⁶Li以解释观测到的太阳风同位素组成。
• 评估加速的³He在耀斑中核反应中增强⁶Li生成的作用。
• 在粒子加速和大气传输的背景下，评估耀斑产生的锂对太阳风的贡献。

提出的方法

• 本研究使用核反应代码计算太阳耀斑中加速粒子产生的⁶Li和⁷Li，包括⁴He(³He,p)⁶Li反应。
• ⁴He(³He,p)⁶Li反应的截面通过逆向反应⁶Li(p,³He)⁴He的详细平衡关系推导，并包含3.56 MeV激发态的贡献。
• 采用厚靶模型，假设粒子在色球层中减速，粒子能量谱按幂律形式建模，指数为s。
• 利用20个耀斑的伽马射线数据约束平均质子通量和³He/⁴He比值，其中³He/⁴He比值范围为0.1至1。
• 该模型将⁶Li生成量与观测到的伽马射线发射进行归一化，并将所得⁶Li产率与太阳风的⁶Li/⁷Li比值进行比较。
• 太阳风⁶Li/⁷Li比值通过公式(⁶Li/⁷Li)sw = [Np(>30) × Q(⁶Li)] / [(⁷Li/H)ph × Fsw] 计算，其中Fsw ≈ 6×10^35 s⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳耀斑中加速的³He是否能产生足够多的⁶Li，以解释观测到的太阳风⁶Li/⁷Li比值0.032 ± 0.004？
• RQ2 ⁴He(³He,p)⁶Li反应在⁶Li生成中的贡献，与αα相互作用等其他反应相比如何？
• RQ3 ³He/⁴He和α/p比值的变化如何影响耀斑中预测的⁶Li产量？
• RQ4 耀斑产生的⁶Li在太阳大气中能存活多大程度，又有多少比例被太阳风排出？
• RQ5 耀斑的观测伽马射线发射是否能可靠地约束锂同位素的生成？

主要发现

• ⁴He(³He,p)⁶Li反应显著增强了⁶Li的生成，尤其在粒子能量谱较陡峭且³He/⁴He比值较高时。
• 当³He/⁴He > 0.1且α/p > 0.1时，模型预测的(⁶Li/⁷Li)sw在0.007至0.06之间，与观测值0.032 ± 0.004一致。
• 耀斑的平均⁶Li生成速率估计为1×10^22至7×10^22原子·s⁻¹，具体取决于³He/⁴He比值。
• 仅有约15%的总⁶Li生成量归因于19次最大的SMM耀斑，表明较小且未被观测到的耀斑可能有显著贡献。
• 该模型支持耀斑产生的⁶Li极有可能被太阳风喷射，因为光球层的⁶Li/⁷Li比值过低，无法解释太阳风中的观测值。
• 结果表明，对太阳风中锂同位素的直接测量以及对光球层中⁶Li的光谱探测，可解决太阳大气传输与粒子加速中的关键不确定性。