Non-LTE Analysis of Pre-eruptive Prominence Plasma Parameters Effects on the Lyman-beta and Lyman-gamma Lines with Solar Orbiter SPICE Observations

Titolo

Analisi Non-LTE degli effetti dei parametri del plasma pre-eruttivo delle protuberanze sulla formazione delle righe Lyman $\beta$ e Lyman $\gamma$ con le osservazioni di Solar Orbiter/SPICE.

1. Il Problema

Le protuberanze solari sono strutture di plasma confinate magneticamente nella corona, spesso associate a Eiezioni di Massa Coronale (CME) che influenzano il meteo spaziale. Sebbene le osservazioni forniscano dati sulle intensità delle righe spettrali, i dati osservativi da soli non sono sufficienti per vincolare univocamente i parametri fisici chiave del plasma (come pressione, temperatura, densità e gradienti termici).
L'obiettivo di questo studio è analizzare una specifica osservazione di una protuberanza pre-eruttiva effettuata da Solar Orbiter il 15 aprile 2023. Il problema centrale è determinare come i parametri fisici del plasma influenzino la formazione delle righe di idrogeno Lyman $\beta$ (102.57 nm) e Lyman $\gamma$ (97.25 nm) e utilizzare queste relazioni per raffinare i modelli fisici della protuberanza prima della sua eruzione.

2. Metodologia

Gli autori hanno adottato un approccio combinato basato su osservazioni e modellazione radiativa:

• Osservazioni: I dati provengono dallo strumento SPICE (Spectral Imaging of the Coronal Environment) a bordo di Solar Orbiter. Sono stati analizzati i raster pre-eruttivi acquisiti tra le 07:03 e le 08:09 UT del 15 aprile 2023, quando la protuberanza mostrava un moto iniziale verso l'alto ma appariva strutturalmente stabile.
• Irraggiamento Incidente: Per risolvere l'equazione del trasferimento radiativo, è stato necessario definire il profilo spettrale della radiazione incidente. Gli autori hanno utilizzato un mosaico a disco intero di SPICE del 13-14 novembre 2023 per calcolare l'intensità integrata della riga Lyman $\beta$. Poiché il profilo spettrale osservato è convoluto con la funzione di dispersione strumentale (che appiattisce le caratteristiche come il ribaltamento centrale), è stato mantenuto il profilo di riferimento di Warren et al. (1998) ottenuto da SOHO/SUMER, riscalando la sua intensità integrata in base ai dati SPICE.
• Modellazione Non-LTE: È stato utilizzato il codice radiativo 1D PRODOP (Gouttebroze & Labrosse 2000). La protuberanza è modellata come una lastra verticale con una regione di transizione protuberanza-corona (PCTR).
  • Sono stati generati 200 modelli casuali variando i parametri di input entro intervalli realistici (temperatura centrale, pressione centrale, massa colonna, gradiente di temperatura $\gamma$, altitudine, velocità radiale).
  • Le equazioni di trasferimento radiativo e di equilibrio statistico sono state risolte assumendo equilibrio di ionizzazione e stato stazionario.
• Strumenti di Analisi:
  • Grafici a Coordinate Parallele: Utilizzati per visualizzare le relazioni multivariate tra i parametri di input e le proprietà di output (intensità integrata, termini collisionali/radiativi, spessore ottico). Questo metodo permette di identificare visivamente correlazioni non lineari e cluster di modelli senza fissare i parametri a valori specifici.
  • Coefficiente di Elasticità: Calcolato per quantificare la sensibilità di una proprietà (es. intensità) rispetto alla variazione relativa di un parametro (es. pressione).

3. Contributi Chiave

• Prima osservazione dedicata: Analisi dettagliata della prima osservazione dedicata di una protuberanza fuori dal disco da parte di Solar Orbiter.
• Nuovo metodo di vincolo dei parametri: Introduzione di una metodologia che combina modelli Non-LTE casuali con dati osservativi reali per restringere i range di parametri fisici, superando la non univocità dei dati osservativi puri.
• Validazione degli strumenti di visualizzazione: Dimostrazione dell'efficacia dei grafici a coordinate parallele nell'identificare correlazioni complesse e non lineari tra parametri fisici e proprietà spettrali, integrando i tradizionali coefficienti di correlazione.
• Analisi comparativa Lyman $\beta$ e $\gamma$: Confronto sistematico su come i parametri influenzino due righe diverse dello stesso elemento, rivelando sensibilità simili ma con differenze quantitative.

4. Risultati

L'analisi dei 200 modelli e la successiva filtratura basata sui dati osservativi hanno portato alle seguenti conclusioni:

• Parametri Influenti: I parametri più critici per la formazione delle righe Lyman $\beta$ e $\gamma$ sono la pressione centrale, la massa colonna e il gradiente di temperatura ($\gamma$). La temperatura centrale influenza principalmente lo spessore ottico.
• Relazioni Fisiche:
  • Un aumento della pressione centrale o della massa colonna porta generalmente a un aumento dell'intensità integrata e dei termini collisionali e radiativi.
  • Un aumento del gradiente di temperatura ($\gamma$) riduce l'intensità integrata.
  • L'aumento della temperatura centrale riduce lo spessore ottico.
  • Per entrambe le righe, i contributi collisionali e radiativi sono di ordine di grandezza simile, indicando che entrambi i meccanismi sono fondamentali per la formazione della riga.
• Vincoli Osservativi (Raffinamento dei parametri): Filtrando i 200 modelli per mantenere le intensità integrate di Lyman $\beta$ e $\gamma$ entro tre deviazioni standard dai valori osservati, sono rimasti 38 modelli validi. Da questi è stato possibile derivare vincoli probabilistici:
  • Pressione Centrale: Il 95% dei modelli validi ha una pressione centrale inferiore a 0.48 dyn cm$^{-2}$.
  • Spessore Ottico: I modelli validi mostrano uno spessore ottico per Lyman $\beta$ inferiore a 4800 e per Lyman $\gamma$ inferiore a 1000. Modelli estremamente otticamente spessi sono esclusi dalle osservazioni.
  • Temperatura Centrale: Non è stato possibile vincolare con precisione la temperatura centrale, poiché la sua distribuzione nei modelli validi rimane ampia e non mostra una chiara tendenza di clustering.

5. Significato

Questo studio dimostra che l'analisi Non-LTE, supportata da strumenti di visualizzazione avanzati come i grafici a coordinate parallele, è uno strumento potente per diagnosticare le condizioni termodinamiche delle protuberanze solari.
La capacità di restringere i range di parametri fisici (come la pressione e lo spessore ottico) prima di un'eruzione offre nuove prospettive per comprendere i meccanismi di innesco delle CME. I risultati forniscono un punto di riferimento per futuri studi che integreranno dati multi-linea (es. H$\alpha$, Mg II) e multi-strumento (Solar Orbiter, IRIS, osservazioni da terra) per ottenere una caratterizzazione completa della fisica delle protuberanze durante le fasi pre-eruttive, migliorando infine la previsione del meteo spaziale.