[论文解读] The solar wind from a stellar perspective : how do low-resolution data impact the determination of wind properties

S. Boro Saikia, Meng Jin+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 103被引用 8

一句话总结

本研究利用阿尔文波太阳模型（AWSoM）研究了低分辨率恒星磁像和阿尔文波能量通量对太阳及恒星风预测的影响。结果表明，阿尔文波能量输入对风特性的影响强于磁像分辨率的影响；使用恒星类太阳天体作为太阳的代理会导致风模拟中出现数量级的误差，凸显了在恒星风建模中准确边界条件的至关重要性。

ABSTRACT

Alfvén-wave-driven 3D magnetohydrodynamic (MHD) models, which are increasingly used to predict stellar wind properties, contain unconstrained parameters and rely on low-resolution stellar magnetograms. We explore the effects of the input Alfvén wave energy flux and the surface magnetogram on the wind properties predicted by the Alfvén Wave Solar Model (AWSoM). We lowered the resolution of two solar magnetograms during solar cycle maximum and minimum using spherical harmonic decomposition. The Alfvén wave energy was altered based on non-thermal velocities determined from a far ultraviolet (FUV) spectrum of the solar twin 18 Sco. Additionally, low-resolution magnetograms of three solar analogues were obtained using Zeeman Doppler imaging (ZDI). Finally, the simulated wind properties were compared to Advanced Composition Explorer (ACE) observations. AWSoM simulations using well constrained input parameters taken from solar observations can reproduce the observed solar wind mass and angular momentum loss rates. The resolution of the magnetogram has a small impact on the wind properties and only during cycle maximum. However, variation in Alfvén wave energy influences the wind properties irrespective of the solar cycle activity level. Furthermore, solar wind simulations carried out using the low-resolution magnetogram of the three stars instead of the solar magnetogram could lead to an order of a magnitude difference in the simulated wind properties. The choice in Alfvén energy has a stronger influence on the wind output compared to the magnetogram resolution. The influence could be even stronger for stars whose input boundary conditions are not as well constrained as those of the Sun. Unsurprisingly, replacing the solar magnetogram with a stellar magnetogram could lead to completely inaccurate solar wind properties, and should be avoided in solar and stellar wind simulations.

研究动机与目标

• 评估使用AWSoM模型时，低分辨率恒星磁像和阿尔文波能量通量对太阳及恒星风模拟的影响。
• 评估能否可靠地使用太阳类太阳天体的磁像替代太阳磁像进行风建模。
• 量化由于输入参数变化（尤其是阿尔文波能量和磁像分辨率）引起的风特性不确定性。
• 在太阳活动极大和极小期，将模拟的风特性与ACE观测结果进行验证。
• 识别在系外行星宜居性研究中预测恒星风特性时的主要不确定性来源。

提出的方法

• 采用球谐分解方法，将太阳磁像的分辨率从高（l_max = 150）降低至低（l_max = 5, 10, 20），以模拟低分辨率数据。
• 利用哈勃空间望远镜对太阳类星体18 Sco的远紫外光谱获得的非热速度，调整阿尔文波能量通量。
• 使用三颗太阳类星体（18 Sco、HD 76151 和 HN Peg）的塞曼多普勒成像（ZDI）图作为AWSoM模拟中太阳磁像的代理。
• 在不同输入参数下运行AWSoM模拟，并与1 AU处的ACE原位测量数据（风速、质子密度和冲压压力）进行对比验证。
• 比较模拟结果与观测数据的风质量损失率和角动量损失率，以评估模型准确性。
• 进行敏感性分析，以分离阿尔文波能量通量和磁像分辨率对模拟风输出的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 降低太阳磁像的分辨率在AWSoM模拟中如何影响太阳风特性的预测？
• RQ2 阿尔文波能量通量的变化在多大程度上影响模拟的太阳和恒星风特性？
• RQ3 当将18 Sco、HD 76151 和 HN Peg等太阳类星体的磁像用作AWSoM输入时，能否准确再现太阳风特性？
• RQ4 输入参数的不确定性在多大程度上影响风预测的准确性？
• RQ5 使用约束不足的恒星边界条件对系外行星空间天气和大气逃逸建模有何影响？

主要发现

• 使用约束良好的太阳参数进行的AWSoM模拟，其预测的太阳风质量损失率和角动量损失率在可接受范围内，但模拟的质子密度和冲压压力约为ACE观测值的2–3倍。
• 输入磁像的分辨率对风特性的影响较小，仅在太阳活动极大期具有显著影响，而在极小期则不明显。
• 无论处于太阳活动周期的哪个阶段，阿尔文波能量通量的变化对风特性的影响均强于磁像分辨率的影响。
• 使用如HN Peg等太阳类星体的低分辨率ZDI图作为太阳磁像代理，会导致风特性预测结果与真实太阳风相比出现高达一个数量级的差异。
• 即使对于相同光谱型的恒星，自转速率和磁场几何结构的差异也会在边界条件未充分约束时，导致风模拟中出现巨大不确定性。
• 本研究结论认为，阿尔文波能量输入是风建模中主要的不确定性来源，强烈不建议使用恒星磁像作为太阳的替代代理，因其会导致显著的预测误差。