Введение к работе
Диссертация содержит результаты экспериментальных и теоретических исследований высокотемпературной плазмы и ускоренных во вспышках электронов и ионов на основе данных отечественных и зарубежных космических экспериментов по изучению рентгеновского излучения Солнца Показана необходимость учета эффектов удержания и ускорения частиц в коллапсирующих магнитных ловушках для согласования теоретических моделей с результатами спутниковых наблюдений в рентгеновском диапазоне Развит комплексный подход к исследованию коронального и хромосферного энерговыделения во вспышках
Актуальность темы
Физика Солнца и солнечно-земных связей - одно из приоритетных, а по степени влияния Солнца на нашу жизнь, возможно, самое приоритетное направление современной астрофизики
В настоящее время считается общепринятым, что источником огромной энергии, которая выделяется в короне во время вспышек, является магнитное поле Механизм преобразования энергии поля в кинетическую энергию частиц хорошо известен Это - магнитное пересоединение, которое лежит в основе большинства моделей, описывающих активные солнечные явления вспышки, выбросы горячей плазмы, эрупцию протуберанцев и другие [1]
Согласно современным представлениям пересоединение происходит в короне в областях, где взаимодействуют потоки поля противоположной направленности Теоретические модели хорошо описывают поведение плазмы в области пересоединения [2, 3, 4, 5] Происходящая здесь диссипация магнитного поля приводит к разогреву плазмы до температуры тридцать и даже сто миллионов градусов Кельвина Одновременно происходит ускорение заряженных частиц до энергий, превышающих их
начальные значения в сотни и тысячи раз [6] Ускоренные электроны движутся вдоль пересоединенных линий поля в сторону хромосферы, где быстро тормозятся и производят потоки рентгеновского излучения Корональную область, в которой происходит ускорение частиц, принято называть областью первичного энерговыделения, а область в хромосфере и фотосфере, где частицы отдают свою энергию - областью вторичного энерговыделения [7]
Исследование первичных процессов, происходящих в короне, является первостепенным для понимания природы вспышек Несмотря на это, длительное время акцент делался на изучении вторичных проявлений вспышки в хромосфере Этому способствовали объективные факторы, главным образом то, что до последнего времени отсутствовали возможности для наблюдения высокоэнергичных процессов в короне
Ситуация изменилась в последние два десятилетия в связи с интенсивным развитием спутниковой астрономии, а также появлением современных полупроводниковых приемников излучения (особенно, ПЗС-матриц), позволяющих регистрировать жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца с пространственным разрешением до 1 угловой секунды В 1993-1994 годах наблюдения, осуществленные с помощью японского спутника Yohkoh [8], показали существование в короне компактных источников жесткого рентгеновского излучения Их положение, в целом, совпало с предсказаниями теории пересоединения [9] Впоследствии, эти наблюдения были подтверждены американским спутником RHESSI, запущенным в 2002 году и продолжающим исследования Солнца в настоящее время [10]
Нагрев плазмы солнечной атмосферы до температуры 10 млн К и выше неоднократно наблюдался в экспериментах на геодезических ракетах [11], а также на борту советских [12, 13] и американских [14, 15] космических аппаратов еще в 1960-х - начале 1970-х годов Было установлено, что плазма такой температуры формируется в активных областях,
расположенных над кальциевыми флоккулами [16] Косвенные методы, такие как наблюдения во время затмений, показали, что области горячей плазмы находятся в короне на высоте около 20 000 км над солнечным диском [17] Более точная информация о местоположении высокотемпературных рентгеновских источников была недоступна из-за низкого пространственного разрешения наблюдений
Современные спутниковые эксперименты позволили непосредственно наблюдать и исследовать источники рентгеновского излучения в короне В 1992 году телескоп SXT [18] на борту спутника Yohkoh впервые предоставил изображения горячих рентгеновских источников, расположенных в короне над вершинами вспышечных петель [19] Эти данные были затем подтверждены другими наблюдениями Yohkoh, продолжавшимися до декабря 2001 года [20] После 2001 года исследования горячей плазмы в короне осуществлял комплекс космических телескопов СПИРИТ на борту российского спутника КОРОНАС-Ф [21] Благодаря СПИРИТ был обнаружен новый класс корональных объектов - крупномасштабные области горячей плазмы с временами жизни намного превышающими времена их теплопроводного и лучистого охлаждения [22, 23]
В настоящее время перед научным сообществом стоит задача развития теории вспышек и пересоединения на основе наблюдений первичного энерговыделения в короне Такие наблюдения в рентгеновском диапазоне в последнее десятилетие осуществляли три космических аппарата зарубежные спутники Yohkoh и RHESSI и российский спутник КОРОНАС-Ф Экспериментальное и теоретическое исследование данных, полученных этими космическими аппаратами, является актуальной задачей, решение которой обеспечит прогресс в понимании вспышек
Объект исследования
Ускоренные частицы, источники рентгеновского излучения и области горячей плазмы в короне и хромосфере
Предмет исследования
Механизмы ускорения частиц в коллапсирующих магнитных ловушках в короне Солнца и свойства и происхождение рентгеновского излучения вспышек
Цель исследования
Экспериментальное изучение и интерпретация результатов спутниковых исследований Солнца в мягком и жестком рентгеновских диапазонах, проведенных на космических аппаратах Yohkoh, RHESSI и КОРОНАС-Ф
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи
Теоретически исследовать процесс ускорения электронов и ионов в коллапсирующих магнитных ловушках в условиях короны Солнца
Определить число, концентрацию, эффективную температуру, интегральную кинетическую энергию, меру эмиссии и другие характеристики захваченных электронов как функции размера ловушки
Решить задачу преобразования спектров, а именно по заданному спектру инжекции электронов из области пересоединения рассчитать
энергетическое распределение электронов внутри ловушки,
спектр потока электронов, высыпающихся из ловушки в хромосферу,
распределение ускоренных электронов в хромосфере
4 Дать объяснение наиболее распространенным спектрам жесткого
рентгеновского излучения вспышек тепловым, степенным и двух
степенным спектрам
Рассчитать поток и спектр жесткого рентгеновского излучения из ко-рональных и хромосферных источников Определить число электронов, необходимых для формирования излучения наблюдаемой интенсивности
Дать интерпретацию корональным источникам мягкого рентгеновского излучения, наблюдавшимся комплексом телескопов КОРОНАС-Ф/СПИРИТ [22] Определить времена жизни и преимущественные места формирования источников Рассчитать поток энергии, необходимый для нагрева источников до наблюдаемой температуры
Объяснить противоречие между стандартной двухмерной моделью вспышки и результатами наблюдений в жестком рентгеновском диапазоне, согласно которым движение источников излучения в хромосфере не согласуется с двухмерной моделью магнитного пересоединения [24]
Научная новизна
Разработана новая модель ускорения заряженных частиц в атмосфере Солнца Согласно модели электроны и ионы из области пересоединения частично захватываются в короне внутри уменьшающихся трубок пересоединенного магнитного поля - коллапсирующих магнитных ловушек Захваченные частицы ускоряются бетатронным механизмом и механизмом Ферми и производят интенсивное рентгеновское излучение, обнаруженное спутником Yohkoh Тяжелые частицы в ловушках ускоряются до больших энергий, чем легкие Преимущественное ускорение ионов по сравнению с электронами установлено из наблюдений [25], но до сих пор не имеет общепринятого объяснения
Проведено сравнение эффективности двух основных механизмов ускорения в корональных магнитных ловушках Впервые показано,
что в ловушках с бетатронным ускорением захваченные электроны производят более интенсивное тормозное излучение, чем в ловушках с ускорением Ферми Эффективность ускорения частиц (отношение их конечной и начальной энергий) не зависит от механизма ускорения
Рассчитано преобразование спектра частиц при прохождении через корональную ловушку В модели с захватом частиц происходит три последовательных преобразования спектра Одно из них ранее исследовано в модели толстой мишени [26, 27] Впервые показано, что если начальное распределение захваченных электронов является степенным, то электроны внутри ловушки, на выходе из нее и внутри хромосферы также будут иметь степенное распределение Если начальное распределение является тепловым, и доминирует механизм ускорения Ферми, то в ловушке будет сформирован нетепловой спектр, который в области 20-200 кэВ аппроксимируется степенным законом Тем самым установлен новый механизм формирования степенного распределения электронов в короне из исходного теплового распределения
Построена аналитическая модель ускорения электронов в корональ-ной ловушке Модель учитывает потери энергии электрона из-за торможения в плазме Ранее задача движения частиц в ловушке с плазмой была аналитически решена только для стационарных ловушек, где отсутствует ускорение частиц [28] Показано, что в условиях короны внутри ловушек не могут быть ускорены электроны с энергией инжекции менее 1 кэВ Поскольку тепловая энергия электронов в короне составляет ~ 0 1 кэВ, то магнитные ловушки наиболее эффективно работают, если являются второй ступенью двухступенчатого механизма ускорения
Предложена новая интерпретация двухстепенных спектров жесткого
рентгеновского излучения, неоднократно наблюдавшихся во вспышках [29, 30, 31, 32] Показано, что двухстепенное распределение формируется в коллапсирующих ловушках с плазмой, если начальное распределение электронов в ловушке является степенным Излом спектра происходит в области 1-100 кэВ Его точное положение зависит от плотности фоновой плазмы, времени жизни ловушки и ее пробочного отношения
Предложен новый неадиабатический режим быстрой ударной МГД-волны, учитывающий теплопроводное и лучистое охлаждение плазмы за фронтом Ударные волны могут формироваться в короне во время вспышек и быть причиной быстрого нагрева плазмы над петлями Нагретые области наблюдаются как вспышечные источники мягкого рентгеновского излучения в короне
Предложен механизм длительного нагрева областей корональной плазмы низкоэнергичными электронами Время жизни таких областей в результате может существенно превышать время их теплопроводного и лучистого охлаждения Рассчитан темп инжекции электронов, необходимый для нагрева 10 36 — 10 37 электронов в секунду
Проведено исследование движений источников жесткого рентгеновского излучения в основаниях вспышечных петель Установлено, что регулярное движение источников доминирует над их хаотическим движением в большинстве вспышек Получен новый важный результат - показано, что стандартная двухмерная модель вспышки объясняет только 13 % событий Для остальных вспышек требуется более сложная конфигурация
Теоретическая и практическая значимость
Теоретическая значимость исследования состоит в разработке двух новых моделей, необходимых для интерпретации результатов спутниковых
наблюдений в рентгеновском диапазоне
модели ускорения частиц в коллапсирующей магнитной ловушке совместно бетатронным механизмом и механизмом Ферми,
модели неадиабатической быстрой ударной волны с охлаждением плазмы за фронтом
Математический аппарат моделей позволяет применять их к явлениям в солнечной и космической плазме Модель коллапсирующей ловушки может быть полезна при моделировании гиросинхротронного излучения вспышек и для исследования динамики частиц в магнитосфере Земли Области применения неадиабатического режима ударной волны еще более многообразны
Для исследования энерговыделения в атмосфере Солнца теоретическое значение имеет развитый в диссертационной работе подход, когда в рамках одного исследования рассматривается несколько явлений, характерных для импульсной фазы вспышки - ускорение частиц, нагрев плазмы, рентгеновское излучение Это позволяет понять связи между различными проявлениями вспышки и дает возможность сравнить их временные, пространственные и энергетические характеристики
Исследование важно для планирования программы наблюдений российского спутника КОРОН АС-ФОТОН, запуск которого предполагается осуществить в конце 2007 - начале 2008 годов в рамках Федеральной космической программы Российской Федерации
На защиту выносятся
1 Двухступенчатая модель ускорения электронов и ионов в солнечной короне, где первой ступенью является пересоединяющий токовый слой, обеспечивающий ускорение частиц от ~ 0 1 кэВ до 10 кэВ - 1 МэВ, а второй ступенью - коллапсирующая магнитная ловушка,
в которой частицы дополнительно ускоряются бетатронным механизмом и механизмом Ферми и увеличивают энергию до 1 - 100 МеВ
Формулы для темпа ускорения, числа, концентрации, углового и энергетического распределения захваченных частиц Результаты сравнения эффективности ускорения частиц бетатронным механизмом и механизмом Ферми
Зависимость энергии ускоренной частицы от ее массы, согласно которой тяжелые частицы, протоны и ионы, ускоряются в ловушке до больших энергий, чем легкие частицы, электроны
Решение задачи преобразования спектра электронов при прохождении через корональную область захвата Механизм формирования степенных спектров электронов в бесстолкновительных магнитных ловушках и двухстепенных спектров в ловушках с фоновой плазмой
Механизм формирования источников жесткого рентгеновского излучения в короне и хромосфере, согласно которому электроны, захваченные в ловушку, создают излучение над вершиной вспышечной петли, а электроны, высыпающиеся из ловушки, формируют источники излучения в ее основаниях Формулы для расчета спектра и интенсивности излучения как функций времени
Результаты исследования долгоживущих источников мягкого рентгеновского излучения в короне по данным эксперимента КОРОНАС-Ф/СПИРИТ Механизм нагрева высокотемпературных корональных областей электронами низких энергий Определение темпа инжекции электронов, 1036 — 1037 в секунду, и их вероятной энергии, ~ 1 кэВ
Механизм формирования мягкого рентгеновского излучения вспышек, согласно которому источником излучения являются высокотемпературные вспышечные области, нагреваемые быстрыми ударными
волнами Новый неадиабатический режим ударной волны, учитывающий лучистое и теплопроводное охлаждение плазмы и объясняющий температуру, плотность и скорость подъема источников
8 Результаты исследования движений хромосферных источников жесткого рентгеновского излучения вспышек Определение основных типов движения, из которых только один согласуется со стандартной двухмерной моделью вспышки Объяснение наблюдаемых движений в рамках трехмерной модели вспышки
Апробация работы
Все результаты, представленные в работе, прошли неоднократную апробацию на отечественных и зарубежных научных конференциях
Конференция стран СНГ и Прибалтики "Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности", 2-7 июня 2003 года, Нижний Новгород
Всероссийская Астрономическая Конференция (ВАК-2004) "Горизонты вселенной", 3-10 июня 2004 г, Москва
Симпозиум 223 Международного Астрономического Союза "Многоволновые исследования солнечной активности", 14-19 июня 2004, С-Петербург
35th COSPAR scientific assembly, July, 18-25, 2004, Paris, Prance
Научная конференция "КОРОНАС-Ф три года наблюдений активности Солнца 2001-2004 годы", 31 января - 5 февраля 2005 года, Троицк
Международный симпозиум «Астрономия-2005 состояние и перспективы развития», 1-6 июня 2005 года, Москва
European Solar Physics Meeting 11 "The Dynamic Sun Challenges for Theory and Observations", September 11-16, 2005, Leuven, Belgium
XXIII съезд по спектроскопии, 17-21 октября 2005 года, Звенигород
Workshop "X-ray spectroscopy and plasma diagnostics from the RE-SIK, RHESSI and SPIRIT instruments", December 6-8, 2005, Wroclaw, Poland
IAU Symposium 233 "Solar Activity and its Magnetic Origin", March 31 - April 04, 2006, Cairo, Egypt
Научная конференция МГУ "Ломоносовские чтения - 2006", 17-27 апреля 2006 года, Москва
Международная конференция в НИИ КРАО "Физика Солнца", 11-16 сентября 2006 года, Крым
и специализированных научных семинарах
"Космическая электродинамика и физика Солнца", семинар ГАИШ МГУ, руководитель - профессор Б В Сомов
Семинар Отделения оптики ФИАН, руководитель - д ф -м н А В Масалов
"Астрофизика космических лучей и физика космоса", семинар НИ-ИЯФ МГУ, руководитель - профессор М И Панасюк
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, содержащего 168 наименований Общий объем диссертации составляет 210 страниц Диссертация содержит 48 рисунков и 3 таблицы
