[论文解读] Signatures of the non-Maxwellian $\kappa$-distributions in optically thin line spectra. II. Synthetic Fe XVII--XVIII X-ray coronal spectra and predictions for the Marshall Grazing-Incidence X-ray Spectrometer (MaGIXS)

Jaroslav Dudík, E. Dzifčáková+5 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 114被引用 4

一句话总结

本文利用即将发射的MaGIXS探空火箭任务的Fe XVII和Fe XVIII合成X射线谱，研究了太阳活动区等离子体中非麦克斯韦κ分布的可探测性。通过分析6–24 Å波段的谱线强度比，结果表明结合Fe XVII/Fe XVIII强度比与AIA 94 Å观测，可实现对非热电子分布的灵敏度达2–3倍，从而能够可靠诊断日冕加热点过程中的非热电子群体。

ABSTRACT

We investigated the possibility of diagnosing the degree of departure from the Maxwellian distribution using the Fe XVII - Fe XVIII spectra originating in plasmas in collisional ionization equilibrium, such as in the cores of solar active regions or microflares. The original collision strengths for excitation are integrated over the non-Maxwellian electron $\kappa$-distributions characterized by a high-energy tail. Synthetic X-ray emission line spectra were calculated for a range of temperatures and $\kappa$. We focus on the 6-24 A spectral range to be observed by the upcoming Marshall Grazing-Incidence X-ray Spectrometer MaGIXS. We find that many line intensity ratios are sensitive to both $T$ and $\kappa$. Best diagnostic options are provided if a ratio involving both Fe XVII and Fe XVIII is combined with another ratio involving lines formed within a single ion. The sensitivity of such diagnostics to $\kappa$ is typically a few tens of per cent. Much larger sensitivity, of about a factor of two to three, can be obtained if the Fe XVIII 93.93 A line observed by SDO/AIA is used in conjuction with the X-ray lines. We conclude that the MaGIXS instrument is well-suited for detection of departures from the Maxwellian distribution, especially in active region cores.

研究动机与目标

• 评估MaGIXS在探测太阳活动区核心区域非麦克斯韦κ分布方面的诊断潜力。
• 评估在碰撞电离平衡条件下，κ分布对Fe XVII和Fe XVIII合成X射线谱的影响。
• 识别对温度T和κ均敏感的最优谱线强度比，以实现同步诊断。
• 探索结合MaGIXS X射线数据与SDO/AIA 94 Å对Fe XVIII 93.93 Å谱线观测，可实现的灵敏度提升。
• 通过探测脉冲性非热电子群体的特征，约束日冕加热机制。

提出的方法

• 在温度范围（log T ≈ 6.4–6.8 K）和κ值范围（2 ≤ κ ≤ 10）内，计算了Fe XVII和Fe XVIII在碰撞电离平衡下的合成X射线谱。
• 采用论文I中的方法，直接对κ分布积分碰撞强度，原子数据来自CHIANTI v8。
• 计算了与MaGIXS光谱分辨率和灵敏度相关的6–24 Å波段内的谱线强度比。
• 应用比值-比值法，通过绘制一个谱线强度比与另一个谱线强度比的关系图，以分离对T和κ的依赖性。
• 通过分析不同κ和T值下谱线强度比的相对变化，量化了对κ的灵敏度。
• 将SDO/AIA的Fe XVIII 93.93 Å谱线与MaGIXS X射线谱线结合，以增强诊断能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 MaGIXS能否通过Fe XVII和Fe XVIII X射线谱线强度比探测到电子分布偏离麦克斯韦分布？
• RQ2 Fe XVII和Fe XVIII谱线强度比对κ和温度T的变化有多敏感？
• RQ3 在MaGIXS光谱范围（6–24 Å）内，哪些谱线强度比组合对κ具有最高灵敏度？
• RQ4 结合MaGIXS X射线数据与SDO/AIA 94 Å对Fe XVIII 93.93 Å谱线的观测，如何提升κ分布的诊断能力？
• RQ5 在该温度区间内，辐射复合校正对谱线强度比的κ灵敏度影响有多大？

主要发现

• 在6–24 Å波段内，许多Fe XVII和Fe XVIII谱线强度比对温度T和κ均敏感，κ灵敏度通常达到百分之几十的量级。
• 最有效的诊断方法是将Fe XVII/Fe XVIII谱线强度比与单个离子形成的谱线比组合使用，可实现对κ的稳健敏感性。
• 当结合SDO/AIA的Fe XVIII 93.93 Å谱线与MaGIXS X射线谱线时，极端κ = 2情况下κ灵敏度可提升至2–3倍。
• Fe XVIII 93.93 Å谱线提供了强有力的外部约束，显著增强了MaGIXS的诊断能力，降低了校准不确定性。
• 在log T ≈ 6.6 K时，与κ分布效应相比，辐射复合校正对谱线强度比的影响可忽略不计。
• MaGIXS仪器非常适合探测活动区核心区域的非麦克斯韦κ分布，可为脉冲性非热加热机制提供直接证据。