[论文解读] On the influence of magnetic helicity on X-rays emission of solar and stellar coronae

J. Warnecke, Hardi Peter|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 5被引用 5

一句话总结

本研究利用三维磁流体动力学（MHD）模拟表明，光球层磁螺旋度的增加会导致日冕温度升高，并在类太阳恒星中引发X射线辐射的立方 scaling关系。该机制源于水平磁场的增强和坡印廷通量的增加，通过螺旋度驱动的加热而非仅磁通量本身，解释了观测到的恒星自转-活动关系。

ABSTRACT

Observation of solar-like stars show a clear relation between X-ray emission and their rotation. Higher stellar rotation can lead to a larger magnetic helicity production in stars. We aim to understand the relation between magnetic helicity on the surface of a star to their coronal X-ray emission. We use 3D MHD simulations to model the corona of the solar-like stars. We take an observed magnetogram as in photospheric activity input, and inject different values of magnetic helicity. We use synthesis emission to calculate the X-ray emission flux of each simulation and investigate how this scales with injected magnetic helicity. We find that for larger injected magnetic helicities an increase in temperature and an increase in X-ray emission. The X-ray emission scaled cubicly with the injected helicity. We can related this to increase of horizontal magnetic field and therefore higher Poynting flux at the coronal base. Using typical scaling of magnetic helicity production with stellar rotation, we can explain the increase of X-ray emission with rotation only by an increase of magnetic helicity at the surface of a star.

研究动机与目标

• 研究磁螺旋度对类太阳恒星日冕X射线辐射的影响。
• 确定磁螺旋度本身是否足以解释恒星自转加快时X射线光度增加的观测现象。
• 探索螺旋度注入与日冕加热及辐射之间物理机制的关联。
• 将X射线辐射与螺旋度的标度关系与恒星数据的观测标度定律进行比较。
• 评估坡印廷通量和磁场拓扑结构在日冕加热过程中的作用。

提出的方法

• 使用观测到的光球磁图作为边界条件，对太阳日冕进行三维磁流体动力学（MHD）模拟。
• 在光球边界注入不同水平的磁螺旋度，以模拟不同旋转影响。
• 利用AIA响应函数计算合成X射线和极紫外（EUV）辐射，以模拟观测到的辐射通道。
• 分析日冕温度和辐射通量随注入螺旋度的变化，以确定标度律。
• 计算日冕底部的水平磁场和坡印廷通量，以建立螺旋度与能量输入的关联。
• 将模拟结果与已知的恒星标度律（如X射线通量对温度的T^{4.24}依赖关系）进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 光球层磁螺旋度的注入如何影响恒星日冕的温度和X射线辐射？
• RQ2 在三维MHD模拟中，注入磁螺旋度与产生的X射线辐射之间存在何种函数标度关系？
• RQ3 观测到的X射线光度随恒星自转加快而增加的现象，是否可仅由磁螺旋度的增加来解释？
• RQ4 磁螺旋度如何影响日冕底部的水平磁场和坡印廷通量？
• RQ5 随着螺旋度的增加，日冕中的辐射分布是否发生变化？与太阳活动区相比有何差异？

主要发现

• X射线辐射与注入的磁螺旋度呈立方关系，表现出强烈的非线性依赖性。
• 磁螺旋度的增加导致日冕温度升高，与恒星日冕中观测到的T^{4.24±0.14}依赖关系一致。
• X射线辐射的上升由日冕底部增强的水平磁场和增加的坡印廷通量驱动。
• 模拟再现了色球层和过渡区辐射与X射线通量之间的观测标度关系，支持螺旋度驱动加热模型。
• 在高螺旋度注入条件下，X射线辐射在日冕低层高度强烈集中，与典型太阳活动区的宽分布特征不同。
• 日冕中磁螺旋度的反转并非与β=1面相关，与早期理论预期相悖，但与其他模拟研究结果一致。