Bevezetés
Napunk koronájának vizsgálata kulcsfontosságú a naptevékenység és az űridőjárás megértésében. A Cryo-NIRSP (Cryogenic Near-Infrared Spectropolarimeter) műszer, amely az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Alapítványának DKIST (Daniel K. Inouye Solar Telescope) obszervatóriumában található, 2023. október 30-án végzett mérései új betekintést nyújtanak a korona finomszerkezetébe és hullámjelenségeibe.
Adatgyűjtés és műszerparaméterek
A Cryo-NIRSP képes a napkoronát kb. 0,12 ívmásodperces térbeli mintavételezéssel (~87 km) megfigyelni a spektrográf résénél, egy másodperces időbeli felbontással. A vizsgált adatok egy ún. „sit-and-stare” megfigyelésből származnak, ahol a 0,5″ széles rés mentén történt az adatgyűjtés, 0,12″ térbeli mintavételezéssel.
A térbeli felbontást optikai korlátok (~0,3″) és légköri seeing (~0,6″) határozzák meg. A műszer az 1074,7 nm-es vas XIII (Fe XIII) korona emissziós vonalat célozta meg, amely jól ismert a korona dinamikájának vizsgálatában. A spektrumot 1072–1076 nm között rögzítették, a spektrális felbontás R≈48 000 volt.
Megfigyelési célterület és stabilitás
A célterület koordinátái (X,Y)=(898″, −568″), ami kb. 0,1 naptávolságnyi magasságot jelent a napkorona pereme felett. A mutató stabilitását finom szerkezetek mozgásának elemzésével ellenőrizték, ami kevesebb mint 0,1″ eltérést mutatott – ez jobb volt, mint a légköri seeing okozta felbontás.
Adatfeldolgozás: zajcsökkentés és szűrés
A magas frekvenciájú zaj jelentős problémát okozhat a finomszerkezetek azonosításában. Ez a zaj időbeli forrásokból (például foton-szóródásból és seeing változásokból) valamint térbeli forrásokból (detektorhibákból) ered.
Ezért két dimenziós Butterworth aluláteresztő szűrőt alkalmaztak mind az intenzitás-, mind a Doppler-sebesség adatokra. Az intenzitás zajkomponense δI<0,15 μB☉ volt, ami jóval kisebb az átlagos koronális emissziónál (I<15 μB☉), bár összevethető lehet az overdense struktúrák extra emissziójával.
A szűrés simítja a jelet kis skálákon (<2 Mm térben és <30 s időben), így csak viszonylag nagyobb méretű struktúrák mozgását és dinamikáját lehet megbízhatóan mérni.
A Doppler-sebesség zajszintje δv<0,1 km/s volt, amely tovább csökkent a szűrés után.
Kink hullámok mozgásának elemzése
A finomszerkezetek helyét az NUWT algoritmussal követték nyomon, amely Gauss-görbével illeszti az intenzitás maximumokat – így akár szubpixel pontosságot is elérve.
Az elemzéshez unsharp mask technikával előkezelték az intenzitás adatokat, eltávolítva a nagyobb skálájú koronális emissziót (>9 Mm), így csak kisebb skálájú fényességkülönbségek maradtak meg.
A csúcsok helyeinek időbeli követése lehetővé tette az overdense struktúrák középpontjának mozgását leíró idősorok létrehozását. Ezekből numerikus derivált segítségével számolták ki a síkban lévő sebességeket.
Nem termikus vonalprofil-szélességek meghatározása
A nem termikus vonalprofil-szélességet ξ az alábbi képlettel becsülték:
ξ = sqrt( (FWHM² - wI²) / [4 ln(2) (λ₀/c)²] - (2 kB T / M) )
- FWHM: félérték szélesség
- wI: instrumentális spektrális pont-kiterjedés
- T: ion hőmérséklet (~1,6 MK vas XIII esetén)
- kB: Boltzmann állandó
- M: ion tömege
Doppler-jel és torsionális hullámok elkülönítése
A fluxustubusok középpontjában vett Doppler-sebesség jele reprezentálja elsősorban a kink móduszt, amely nem tartalmaz torsionális (n=0) komponenseket. Ez azért van így, mert az n=0 torsionális Alfvén hullám sebességvektora mindig merőleges a sugárirányra (csak tangenciális komponens van), így integrálva nulla sebességet ad középen.
Ezzel szemben a kink módusz állandó amplitúdójú elmozdulást mutat keresztmetszetben, melynek Doppler-jellegzetességei függnek a látóiránytól.
Mágneses henger modellje
A korona szerkezeteit egy mágnesesen vezetett hengerként modellezték diszkontinuitással belső és külső sűrűség között:
ρ(r) = { ρ_i ha r ≤ R
ρ_e ha r > R }
Itt ρ_i belső sűrűség, ρ_e külső sűrűség; a mágneses tér homogénnek tekinthető.
Torsionális módusz jellemzői
- N=0 torsionális módusznál bármely látóirány esetén nulla Doppler-érték van tubus közepén.
- A tubus határain váltakozó vörös-kék Doppler-jel figyelhető meg.
- N=1 Alfvén módusz esetén kisebb radiális komponens is jelen van, ami tükröződést okoz keresztmetszetben.
- Kink módusz esetén Doppler-jel maximuma mindig tubus közepén van és közel állandó keresztmetszetben.
Valós korona szerkezetek és mágneses felületek komplexitása
A valós koronában nem éles határok vannak a sűrűségben vagy mágneses térben; ezek fokozatosan változnak. Ez rezonanciahatásokhoz vezethetnek és további forgó mozgások (pl. n=1 Alfvén móduszok) gerjesztését eredményezhetik.
3D MHD szimulációk validálása
Egy háromdimenziós MHD szimulációt végeztek egy stratifikált mágneses fluxustubussal (~1 Mm sugárral), amely nyílt koronális struktúrát modellezett. A belső/külső sűrűség arány kezdetben 3 volt.
A szimulációban egy folyamatos sebességvezérlőt alkalmaztak az alsó határon, amely egyszerre generált kink és torsionális Alfvén hullámokat különböző periódusokkal (150–300 s között).
Spektroszkópiai előrejelzés FoMo-val
A FoMo kód segítségével szintetizálták az Fe XIII 1074,7 nm-es spektrumokat különböző látóirányokra. Az eredmények megerősítették az observációkat: a Doppler-eltolódások jellegzetesen mutatták mindkét hullámtípust.
Módus dekompozíció: Empirikus módusú lebontás (EMD)
A Doppler-eltolódások időfüggvényét EMD módszerrel elemezték, amely adaptív módon bontja fel nem stacionárius jeleket belső módusokra (IMF-ekre). Ez lehetővé teszi idő-frekvencia elemzés végzését Fourier-alapú módszerekkel szemben.
Monte Carlo szimulációk: LOS integráció hatása hullám amplitúdókra
A korona optikailag vékony volta miatt több fluxustubus mentén történő integráció csökkenti a mérhető Doppler amplitúdót mind kink-, mind torsionális hullámok esetében.
- Torsionális hullám esetében az integrált LOS Doppler sebesség kb. fele akkora mint a tényleges amplitúdó (pl. 20 km/s-ból ~6 km/s lesz).
- Kink hullámnál ez kisebb mértékű csökkenést mutat (~18 km/s marad).
- Ezeket Monte Carlo módszerrel több száz fluxustubus véletlenszerű fázisú oszcillációinak összeadásával igazolták.
- Eredményként mindkét hullámtípusnál jelentős csökkenés tapasztalható az LOS integráció miatt.
Egyéb lehetséges okai vörös-kék aszimmetriának
A vörös-kék aszimmetria hátterében állhatnak más dinamikai folyamatok is:
- Kink hullámok háttér vagy előtér fluxustubusokon különböző fázisban vagy amplitúdóval – ha fázisban vannak, nincs aszimmetria;
- Turbulens mozgások;
- Különböző irányú áramlások egymás mellett lévő hurkokban;
- Ezek kizárhatók vagy értelmezhetők több ciklus vagy ismétlődő jelenségek alapján.
Összegzés
A Cryo-NIRSP által gyűjtött magas felbontású spektroszkópiai adatok lehetővé tették a napkorona finom szerkezeteinek és dinamikájának részletes vizsgálatát. Az elemzések kimutatták a torsionális Alfvén hullámok jelenlétét is, amelyek eddig nehezen voltak detektálhatók közvetlenül. A korszerű adatfeldolgozás, háromdimenziós MHD-szimulációk és Monte Carlo modellezések megerősítették ezen jelenségek fizikai valóságát és segítettek elkülöníteni őket más korona-dinamikai folyamatoktól.
Ezek az eredmények fontos lépések a napkorona komplex mágneses és hullámjelenségeinek megértésében, amelyek alapvetően befolyásolják például a napkitörések kialakulását vagy az űridőjárást befolyásoló folyamatokat.