[论文解读] Spectroscopic indication of suprathermal ions in the solar corona

E. Lee, David R. Williams+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 12

一句话总结

本研究利用Hinode/EIS数据对284.16 Å处Fe xv发射线的光谱分析，检验太阳日冕中非热离子分布的存在。通过在活跃区范围内对谱线轮廓拟合κ分布与高斯模型，发现κ分布的拟合效果显著优于高斯模型，且大多数最佳拟合κ值低于3，表明存在强烈的非麦克斯韦离子分布，支持日冕中存在非热离子的结论。

ABSTRACT

Using spectroscopic data, we support the possibility of suprathermal distributions of coronal ions by fitting the equivalent kappa functions to their emission line profiles. We fit different kappa and Gaussian model functions to line profiles of the strong Fe xv line at 284.16 Angstroms, across two large-field spectroscopic rasters taken in a solar active region. Both single- and double-component Gaussian models are applied, as well as two kappa models, one with a free width parameter allowing for and the other with a constrained width that precludes "microturbulence". We then compare the goodness of fit of the computed best fits for each model. The kappa distribution is a generalization, or superset, of the Maxwellian, so they are able to fit line profiles more precisely than a Gaussian. In most of the data, the best-fit kappa model produces much lower residuals across the profile than any single Gaussian and sometimes double Gaussian. Most importantly, the distribution of estimated kappa values is found to lie mostly in the low-kappa range, implying ion populations far from Maxwellian. Even when the width is removed as a free parameter of fit, the kappa model is still able to fit the data credibly, again with low best-fit values of kappa. We find the shape of the Fe xv line, in the vast majority of the data analyzed, to be indicative of a highly suprathermal ion population.

研究动机与目标

• 利用光谱数据研究太阳日冕中非麦克斯韦离子分布的存在。
• 检验κ分布（作为麦克斯韦分布的推广）是否比传统的高斯模型更能解释观测到的谱线轮廓。
• 确定谱线展宽的过量部分（通常归因于微湍流）是否更可能由非热离子分布解释。
• 通过比较含与不含自由展宽参数的模型，评估日冕光谱学中微湍流假设的有效性。
• 评估日冕中离子分布是否显著偏离热平衡，尤其是在活跃区环境中。

提出的方法

• 使用Hinode的极紫外成像光谱仪（EIS）获取太阳活跃区的大视场光谱扫描，空间分辨率为2角秒，光谱分辨率为22.3 mÅ。
• 对284.16 Å处的Fe xv谱线轮廓拟合单组分和双组分高斯模型（SG和DG）以及两种κ分布模型（含和不含自由展宽参数）。
• 使用调整后的卡方统计量（χ²）和校正的赤池信息准则（AICc）比较模型的拟合优度，对自由度进行惩罚。
• 将κ模型的展宽约束为仅依赖于仪器展宽和热速度（通过κ参数），以减少自由参数数量，使其与SG模型保持一致。
• 通过分析1000多个空间像元的残差和模型拟合质量，评估κ拟合的统计显著性。
• 通过与Spitzer碰撞时间及关于非热粒子分布的先前理论工作比较，评估κ分布的物理解释性。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的284.16 Å处Fe xv发射线展宽是否超过仅由热运动预期的范围？
• RQ2 在存在非热展宽的情况下，κ分布是否能比高斯模型更好地拟合日冕谱线轮廓？
• RQ3 日冕中的过量谱线展宽是否更可能由非热离子分布（κ分布）而非微湍流解释？
• RQ4 日冕离子的κ值是否始终较低（例如，< 3），表明其与麦克斯韦平衡存在显著偏离？
• RQ5 是否可通过物理参数（仪器展宽和热速度）约束κ分布的展宽，而不会降低拟合质量？

主要发现

• 在大多数分析的Fe xv谱线轮廓中，κ分布模型产生的残差始终低于单组分和双组分高斯模型。
• 在大多数谱线中，最佳拟合κ值较低——主要低于3——表明存在大量远离麦克斯韦平衡的非热离子。
• 即使展宽被约束为仅依赖于仪器和热展宽，κ模型仍能提供可信的拟合结果，且κ值较低，从而无需将微湍流作为自由参数。
• 在自由参数数量相同（四个）的情况下，受限展宽的κ模型与SG模型的拟合优度相当，证明其鲁棒性和物理解释一致性。
• 结果支持理论预测：日冕离子可能处于非热、κ分布状态，与Scudder（1992b）和Pierrard & Lamy（2003）的早期工作一致。
• 本研究提供了光谱学证据，表明非热离子分布是太阳日冕中的普遍特征，挑战了日冕等离子体长期存在的热平衡假设。