磁気リコネクション(太陽フレア)
観測とシミュレーション
西田圭佑 (京都大学)

概要• ひので衛星によるリコネクション観測• 3次元MHDシミュレーションによるプラズモイドを含むリコネクション研究とその観測可能性

概要• ひので衛星によるリコネクション観測• 3次元MHDシミュレーションによるプラズモイドを含むリコネクション研究とその観測可能性「ようこう」から「ひので」へ
ようこう

ひので

太陽フレアのエネルギー解放機構
は磁気リコネクション！

課題：「コロナ中の天体電磁流体力学現象、とりわけ磁気リコネクションの素過程」
リコネクションに関連した主な成果：• 彩層でのジェット現象• X線ジェット
• 極紫外線分光装置(EIS)によるフレアの分光観測• エネルギー蓄積・トリガー機構• 粒子加速・白色光フレア

e.g. Tsuneta, Masuda, Shibata, …

彩層ジェット

Shibata+ 2007

ひので／可視光望遠鏡(SOT)

彩層ジェット
SOT

1″ = 700km
Shibata+ 2007

SOTTrace 195Å

XRT

彩層ジェット(低温高密度)X線/極紫外線ジェット(高温低密度)

巨大彩層ジェット
V~100 km/s

Nishizuka+ 2008

半暗部マイクロジェット

長さ 1000～4000km、幅300km、継続時間1分以下
Katsukawa+ 2007

太陽黒点「ライトブリッジ」で継続的に発生する彩層ジェット
Shimizu+ 20092007年4月30日

ベクトル磁場

電流密度

強い電流が分布双方向の速度場を観測

ひのでにより観測された
極域X線ジェット
極域のコロナホールで、多数のX線ジェットが発見された
Alfven速度に近い～800km/sと音速に近い～200km/s程度のジェット
Alfven waveも発見。

参考：ようこう／軟X線望遠鏡で観測されたジェット

Cirtain+ 2007
Shimojo+ 2007
Savcheva+ 2007

EISによるフレアの分光観測

ドップラー速度 (Fe XII)

ライン幅 (Ca XVII)～20km/sのインフロー(温度1.5MK) と～200km/sの高温(9MK)のアウトフローを観測した
M=0.05～0.1密度 (Fe XII)

Hara+ 20112007年5月19日

EISによるフレアの分光観測
フレアループ上空に、高温(～30MK)で、高速(>500km/s)の流れを検出した。
リコネクションアウト
フローそのものではなく、fast-modeshock下流のフレアアーケードに沿った流れ？

Imada+ 20132012年1月27日, AR11402-400 km/s

0 km/s

400 km/s

EISによるフレアの分光観測
SDO/AIA 94Å filter

Upward100km/s

ドップラー速度
Upward>200km/s

12:42:39 UT+100km/s (down)

リコネクションア
ウトフロー(slowshock)の電子温
度は 20MK
106.8

107.5K

電子温度(Fe XXIV/Fe XXIII)

12:54:18 UT

12:54:18 UT

Downward
100km/s-100km/s (up)リコネクションアウ
トフローや彩層蒸発ジェットと思われる流れを検出した

Evaporation
Flow>400km/s

Nishizuka+ in prep
2011年2月14日, AR11158

XRTによるフレアの温度解析
Hinode/XRT(X線望遠鏡)では複数のフィルターの画像を組み合わせることで、温度やエミッションメジャー(EM)を求めることが可能だが、フレア・リコネクションに対してはまだあまり活用されていない。
X線像 (think-Al filter)

温度

Narukage+ 20142011年6月7日, AR11226

SDO/AIAでは、プラズモイドなどの温度解析が行われている (e.g. Kumar+ 2013)

ひので衛星によるリコネクション観測のサマリー• ひので衛星は、太陽のさまざまな場所・スケールで、特に彩層で磁気リコネクションによるジェットが普遍的に起こっている（ユビキタス・リコネクション）ことを明らかにした• SOTによる磁場観測、EISによる分光観測、XRTによる温度解析などで、リコネクションに関係する物理量の定量的な計測が試みられた– 特にEISによる分光観測で、インフロー・アウトフローなどの検出が行われた• しかし、磁気リコネクションの素過程の理解はまだまだ磁気リコネクションの未解決問題• エネルギー解放の速さを決める物理– 「速い」リコネクション：slow shockの有無 (Petchek type?) →高棹さん発
表– プラズモイドの役割 (Fractal reconnection?)、ミクロとマクロのつながり• 磁気リコネクションに伴うフロー– リコネクションアウトフローとインフローの観測→ひのでで観測された(しかしアウトフローの速度が遅い)• イオン温度と電子温度、電離非平衡– 短い時間スケール、小さい空間スケールでの物理• 弱電離プラズマの物理 →中村さん発表• 粒子加速 →次のセッション• エネルギー蓄積過程 とトリガー機構 →次のセッション• 2D vs. 3D、ガイド磁場、乱流、etc…

概要• ひので衛星によるリコネクション観測• 3次元MHDシミュレーションによるプラズモイドを含むリコネクション研究とその観測可能性

太陽フレアにおけるプラズモイド／フィラメント噴出
フィラメント (Hα)
プラズモイド(軟X線)

Plasmoid Ejection /Coronal Mass Ejection

Figure from Telescope
Ohyama &(Mackenzie+)
Shibata (2007)
Hinode/X-Ray

プラズモイド噴出

フィラメント噴出

ようこう/軟X線望遠鏡(Ohyama & Shibata 1998)

TRACE 195Å EUV(Torok & Kliem 2005)

プラズモイドとリコネクションの関係(ようこう衛星による観測)
プラズモイドの速度とリコネクションの速さに正の相関
プラズモイドの速度 [km/s]

高さ

Impulsive phase にプラズモイドが強い加速を受ける

PlasmoidDistance

Hard X-Ray
時間(Ohyama & Shibata 1997, 2007)

No Source

フレアループの成長速度 [km/s](リコネクションの速度に比例する)(Shibata 1995, Shimizu+ 2008)

See also Zhang+ 2001, Takasaki+ 2004, Sterling &Moore 2005, Qiu & Yurchyshyn 2005

プラズモイドの役割(Plasmoid-induced reconnection model)(Shibata & Tanuma 2001)(1) リコネクションを妨げ、エネルギーを蓄積するリコネクションを妨げるエネルギーが蓄積される
プラズモイド噴出時に、急速にエネルギーが解放される(2) プラズモイド噴出時に強いインフローを励起する
wp

Lin

vp

vin

リコネクション

vin =

wp
Lin

vp

プラズモイド噴出
Nonlinear
instability
強いインフロープラズモイド噴出の実験
プラズモイドの加速度と電場に正の相関がみられる (Ono+)

時間

プラズモイドトーラスプラズマ合体実験装置TS-4による実験

Multiple plasmoidsの観測例
SDO/AIA

ようこう/軟X線望遠鏡 Nishizuka+ 2010
Time height plot of plasmoids

Hard X-ray

Takasao+ 2012

0.6MK

1.6MK

2MK

2.5MK

1MK & 7MK

11MK

最近のSDOによる観測としては
Kumar+ 2013Liu+ 2013
Lin+ 2005

Fractal behavior of hard X-ray/ microwave
bursts and energy release mechanism• Intermittent Hard X-ray burst, radio/microwave burst(e.g. Frost, Dennis, Kane, Kiplinger, Benz, Aschwanden, Karlicky)[Aschwanden.2002][Ohki+.1992]

Fractal Current Sheet[Tajima & Shibata 1997]

Observation of hard X-rays and microwave
emissions show fractal-like time variability, which
may be a result of fractal plasmoid ejections

MHD simulations of multiple plasmoids in 2D

Loureiro+ 2009

Samtaney+ 2009

Barta+ 2011

Shen+ 2011

PIC & MHD simulations of multiple plasmoids in 3D

Shimizu+ 2011

Daughton+ 2011

Fujimoto & Sydora 2012

Nishida+ 2013

3D MHDシミュレーションより示唆されるフレアにおけるプラズモイドの物理量•••大きいものでサイズ 1000～5000km
電流シート内に存在できる期間 100～200sec
フラクタル的かどうか？
– 特徴的スケールが存在するのかしないのか？
– 空間分解能を上げることでなにがわかるのか？
– 電波バースト観測とシミュレーションを組み合わせて解決できないか？ (Karlický+2012, Kumar+ 2013)•プラズモイドの温度は高温•

プラズモイド噴出・アウトフローが、本当にインフローをエンハンスしているのか？→
インフローの速度場構造を知りたい
Secondary-plasmoidにもslow shockが付随していると考えられる(Mei+ 2012, Isobe
unpublished, Nakabou in prep.)•– Kumar+ 2013 では低温(1.5～2.4MK)

From Isobe 2012; S-C MeetingExpected Imaging-Spectroscopic Capability:
Case for the 18 Aug 2010 Flare
05:10:43 UT

05:13:19 UT

For AR intensity
Every 6 s (2”sq)Every 15 s (1.2”sq)

1/2 AR intensity

 x 1.2 longer intg. time

Length of the sheet ... 20 “
Typical blob size ... ~3”(Takasao+ 2012)

1.2” sq~60 km/s

2” sqcolliding blobs

AR intensity

AIA 193 Å~280 km/s

Almost stationary