Skew-Kappa distribution functions & whistler heat flux instability in the solar wind: the Core-Strahlo model

Abstract

Electron velocity distribution functions (eVDFs) in the solar wind exhibit ener getic tails and magnetic field-aligned skewness, attributed to secondary populations such as the halo and strahl. Temperature anisotropy is also a commonly observed suprathermal feature. Both skewness and anisotropy can provide energy for the excitation of electromagnetic perturbations through the whistler heat flux instabil ity (WHFI) and the whistler-cyclotron instability, potentially altering the plasma state through wave-particle interactions. The WHFI, in particular, is believed to play a crucial role in regulating electron heat flux in the solar wind. In this work, we introduce a novel approach to model the solar wind eVDF: the Core-Strahlo (CS) model. This representation combines a bi-Maxwellian core and a suprather mal strahlo, modeled by a skew-Kappa distribution and representing the halo and strahl electrons using a unified description. We demonstrate that the CS model ef fectively reproduces key characteristics of the solar wind eVDFs, with the advantage of controlling skewness through a single parameter, δ. Using linear kinetic theory and considering small skewness, we conduct a comprehensive stability analysis of the parallel-propagating whistler mode and establish stability threshold conditions for comparison with observational data. We show that plasma states with distinct WHFI stability levels may exhibit iden tical electron heat flux values, q∥e. Therefore, systems with high q∥e values can be stable enough, so that the WHFI may not be able to effectively modify electron heat flux values through wave-particle interactions. Consequently, skewness (a kinetic property of the eVDF) emerges as a better indicator of instability compared to the heat flux parameter (a plasma macroscopic quantity). Our study further investigates anisotropic cases, revealing that the strahlo anisotropy is a more efficient source of free energy for destabilizing the whistler mode compared to field-aligned skewness. This suggests a greater role of anisotropic suprathermal populations in processes governed by wave-particle interactions. We hope this study will motivate the devel opment of theoretical works exploring the dynamics of the halo and strahl using a unified description. This approach could be especially valuable for addressing the interaction between these populations as they move away from the Sun. Lastly, we expect our results to find validation through electron measurements obtained from current and upcoming solar wind missions

Las funciones de distribución de velocidad de electrones (eVDF, por sus siglas en ingles) en el viento solar muestran colas energéticas y asimetría alineada con el campo magnético, atribuidas a poblaciones secundarias como el halo y el strahl. La anisotropía de temperatura también es una característica supra térmica comúnmente observada. Tanto la asimetría como la anisotropía pueden proporcionar energía para la excitación de perturbaciones electromagnéticas a través de la inestabilidad whistler flujo de calor (WHFI) y la inestabilidad whistler-ciclotron, potencialmente alterando el estado del plasma mediante interacciones onda-partícula. En particular, se cree que la WHFI desempeña un papel crucial en la regulación del flujo de calor de electrones en el viento solar. En este trabajo, presentamos un nuevo enfoque para modelar la eVDF del viento solar: el modelo Core-Strahlo (CS). Esta representación combina un core bi-Maxwelliano y un strahlo supra térmico, modelado con una distribución Kappa asimétrica, el cual representa a los electrones del halo y el strahl usando una descripción unificada. Demostramos que el modelo CS reproduce de manera efectiva las características clave de las eVDF del viento solar, con la ventaja de controlar la asimetría a través de un solo parámetro, δ. Utilizando teoría cinética lineal y considerando una asimetría pequeña, realizamos un análisis exhaustivo de la estabilidad del modo whistler de propagación paralela y establecemos condiciones de umbral de estabilidad para su comparación con datos observacionales. Mostramos que estados con distintos niveles de estabilidad a la WHFI pueden exhibir valores idénticos de flujo de calor electrónico, que. Por lo tanto, sistemas con valores elevados de que pueden ser lo suficientemente estables como para que la WHFI no pueda modificar efectivamente los valores del flujo de calor electrónico a través de interacciones onda-partícula. Como resultado, la asimetría (una propiedad cinética de la eVDF) surge como un mejor indicador de inestabilidad en comparación con el parámetro de flujo de calor (una cantidad macroscópica del plasma). Nuestro estudio investiga ademas casos anisotrópicos, revelando que la anisotropía del strahlo es una fuente de energía libre mas eficiente para desestabilizar el modo whistler en comparación con la asimetría alineada al campo. Esto sugiere un papel mas importante de poblaciones supra térmicas anisotrópicas en procesos gobernados por interacciones onda-partícula. Esperamos que este estudio motive el desarrollo de trabajos teóricos que exploren la dinámica del halo y el strahl utilizando una descripción unificada. Este enfoque podría ser especialmente valioso para abordar la interacción entre estas poblaciones a medida que se alejan del Sol. Por ´ultimo, esperamos que nuestros resultados sean validados mediante mediciones de electrones obtenidas en las misiones espaciales actuales y futuras del viento solar