[论文解读] Non-thermal electron energization during the impulsive phase of an X9.3 flare revealed by Insight-HXMT

P. Zhang, Wei Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 43被引用 4

一句话总结

本研究利用 Insight-HXMT 和 RSTN 数据，揭示了 X9.3 太阳耀斑 SOL20170906T11:55 活跃相期间非热电子的加速现象。通过分析硬 X 射线和微波辐射中的准周期振荡（QPPs），作者识别出一个稳定的回旋同步辐射源，其半径为 36.6 ± 0.6′′，平均横向磁场为 608.2 G，峰值时非热电子密度约为 10⁶.⁷ cm⁻³，表明低日冕区域重复磁重连是电子加速的机制。

ABSTRACT

The X9.3 flare SOL20170906T11:55 was observed by the CsI detector aboard the first Chinese X-ray observatory Hard X-ray Modulation telescope (Insight-HXMT). By using wavelets method, we report about 22 s quasiperiodic pulsations(QPPs) during the impulsive phase. And the spectra from 100 keV to 800 keV showed the evolution with the gamma-ray flux, of a power-law photon index from $\sim 1.8$ before the peak, $\sim 2.0$ around the flare peak, to $\sim 1.8$ again. The gyrosynchrotron microwave spectral analysis reveals a $36.6 \pm 0.6 \arcsec$ radius gyrosynchrotron source with mean transverse magnetic field around 608.2 Gauss, and the penetrated $\ge$ 10 keV non-thermal electron density is about $10^{6.7} \mathrm{cm}^{-3}$ at peak time. The magnetic field strength followed the evolution of high-frequency radio flux. Further gyrosynchrotron source modeling analysis implies that there exists a quite steady gyrosynchrotron source, the non-thermal electron density and transverse magnetic field evolution are similar to higher-frequency light curves. The temporally spectral analysis reveals that those non-thermal electrons are accelerated by repeated magnetic reconnection, likely from a lower corona source.

研究动机与目标

• 研究一次重大 X9.3 太阳耀斑活跃相期间非热电子的起源与演化。
• 利用多波段观测，确定回旋同步辐射源的空间与磁场特性。
• 通过硬 X 射线与微波辐射的相关性分析，推断共同的高能电子群体。
• 对回旋同步辐射源进行建模，约束耀斑活跃相期间电子密度与磁场的演化。

提出的方法

• 对 Insight-HXMT CsI 硬 X 射线光 light curves 应用小波分析，检测周期约为 22 秒的准周期振荡（QPPs）。
• 对 100 keV 至 800 keV 范围内的硬 X 射线数据进行时间分辨谱拟合，推导光子指数的演化。
• 利用 RSTN 微波数据进行回旋同步辐射（GS）源建模，推断横向磁场强度与非热电子密度。
• 将 GS 模型在 8.8、11.2 和 15.4 GHz 的光曲线与观测到的射电光曲线进行比较，以验证源参数。
• 对比硬 X 射线与射电光曲线，评估时间延迟并推断电子束传播动力学。
• 评估谱演化与时间演化的自洽性，以支持低日冕区域重复磁重连的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在耀斑活跃相期间，硬 X 射线与微波辐射中观测到的约 22 秒准周期振荡（QPPs）的性质与起源是什么？
• RQ2 产生微波辐射的回旋同步辐射源的空间与磁场特性是什么？
• RQ3 在活跃相期间，非热电子密度与磁场如何演化，这对加速机制有何启示？
• RQ4 为何硬 X 射线与射电光曲线之间存在时间延迟，这揭示了电子束传播的何种信息？
• RQ5 观测到的 QPP 行为是否与低日冕区域的重复磁重连事件一致？

主要发现

• 在硬 X 射线与微波辐射中均检测到约 22 秒的准周期振荡（QPP），表明高能电子群体受到相干调制。
• 硬 X 射线谱从峰值前的光子指数约 1.8，上升至峰值时的约 2.0，随后回落至约 1.8，表明非热电子能量分布具有可变性。
• 回旋同步辐射源的半径为 36.6 ± 0.6′′，平均横向磁场为 608.2 高斯，与低日冕起源一致。
• 峰值时刻的非热电子密度约为 10⁶.⁷ cm⁻³，电子密度与磁场均表现出稳定演化，与高频射电光曲线匹配良好。
• 硬 X 射线与射电光曲线之间的时间延迟表明，高能电子从加速区传播至辐射区需数秒时间。
• 约 22 秒的 QPP 与重复磁重连一致，而更长周期的约 80 秒 QPP 则暗示存在寿命较长的回旋同步辐射源，进一步支持低日冕加速源的结论。