Введение к работе
Актуальность работы
Предметом исследования данной диссертационной работы являются солнечные вспышечные петли – основной структурный элемент солнечных вспышек. Солнечные вспышки обусловлены большим разнообразием физических явлений, протекающих во вспышечной плазме и объединенных в один взаимосвязанный процесс накопления и выделения энергии. Известно, что солнечные вспышки связаны с потоками солнечных космических лучей и корональными выбросами массы, которые могут оказывать сильное воздействие и вызывать нарушения в работе космических аппаратов, навигационных и коммуникационных систем, электросетей. Поэтому исследование солнечных вспышек является актуальным и имеет большое фундаментальное и прикладное значение.
Главным источником информации о вспышечных процессах является
электромагнитное излучение. Солнечные вспышки проявляют себя во всех
диапазонах электромагнитного спектра: от километровых радиоволн до гамма-
излучения. При этом большая часть электромагнитного излучения
(ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение, часть инфракрасного
излучения) может регистрироваться только из космоса. Вместе с тем, в спектре
электромагнитного излучения присутствует широкое "радиоокно",
позволяющее проводить наблюдения с поверхности Земли и регистрировать радиоизлучение от вспышечных областей на Солнце. Благодаря развитию космических технологией существует уникальная возможность проводить многоволновые исследования солнечных вспышек на основе данных наблюдений как наземных, так и космических обсерваторий. Такой полноценный подход позволяет значительно продвинуться вперед в решении задач физики солнечных вспышек.
Исследование спектральной эволюции континуального микроволнового
излучения вспышек до недавнего времени проводилось по наблюдениям
интегрального потока Солнца. Было обнаружено динамическое уплощение
частотного спектра в течение фазы роста и фазы спада импульсных
микроволновых всплесков в оптически тонкой области [20]. Эти
закономерности хорошо объясняются в рамках модели ''захвата с высыпанием'' (trap + precipitation), рассматриваемой для случая нестационарной инжекции, когда учитывается уплощение энергетического спектра захваченных электронов на низких энергиях из-за кулоновских столкновений и различие в эволюции спектров инжектируемых и захваченных электронов [20, 21]. В работе [19] показано, что важную роль в динамике микроволнового спектра может играть
также питч-угловое распределение нетепловых электронов во вспышечной петле.
Однако физические модели радиоисточника, используемые для объяснения этих закономерностей, не учитывают возможной неоднородности как магнитного поля, так и пространственного распределения ускоренных электронов по петле. Поэтому знание о пространственной структуре источника и его динамике является принципиально важным для получения новых сведений об ускоренных электронах.
Таким образом, одной из основных проблем адекватного построения теоретических моделей солнечных вспышек является недостаток информации о пространственном распределении характеристик микроволнового излучения (интенсивность излучения на данной частоте, наклон микроволнового спектра, поляризация излучения) и об их динамике, изменении во времени. Эти характеристики позволят получить знание о таких важных для физики солнечных вспышек характеристиках, как число, энергетический спектр и степень питч-угловой анизотропии электронов высоких энергий в разных участках вспышечной петли.
Возможность ответить на эти вопросы возникла совсем недавно в связи с
появлением современных наземных и космических инструментов,
регистрирующих излучение с высоким пространственным, спектральным и временным разрешениями.
Одним из таких инструментов является радиогелиограф Нобеяма в Японии (Nobeyama Radioheliograph, NoRH) [27]. Данный инструмент работает на двух частотах 17 и 34 ГГц. Пространственное разрешение радиогелиографа на этих частотах составляет 10'' и 5'', соответственно. Максимальное временное разрешение – 0.1 сек. Наличие двух рабочих частот дает возможность извлекать информацию о наклоне частотного спектра. Кроме того, на частоте 17 ГГц доступны данные о распределении круговой поляризации микроволнового излучения во вспышечной области. Недавно на основе результатов анализа данных наблюдений NoRH удалось установить новый класс микроволновых вспышечных петель, отличающихся пиком радиояркости в вершине петли в оптически тонкой области спектра [25]. Этот факт свидетельствует о неожиданно резком (>10 раз) возрастании концентрации релятивистских электронов в вершине протяженных вспышечных петель, что, в свою очередь, является указанием на существование во время вспышек сильной перпендикулярной к магнитному полю питч-угловой анизотропии этих электронов [22]. Дальнейшие исследования установили существование вспышечных петель с продольной анизотропией ускоренных электронов [30].
Был обнаружен факт укручения микроволнового спектра вблизи оснований вспышечных петель [24].
Таким образом, детальный анализ характеристик микроволнового излучения, их пространственной динамики в различных участках вспышечной петли на основе наблюдений с высоким пространственным и временным разрешением позволит получить физические ограничения на модели энерговыделения и ускорения заряженных частиц в солнечных вспышечных петлях.
Наряду с проблемами энерговыделения и ускорения, большой интерес у
исследователей вызывают пульсации излучения солнечных вспышек. В
частности, временные профили микроволнового и жесткого рентгеновского
(ЖР) излучений многих солнечных вспышек представляют собой
коррелированные последовательности всплесков длительностью от десятков миллисекунд до нескольких минут [4]. Это означает, что процессы энерговыделения и ускорения электронов происходят не непрерывно, а сериями отдельных актов небольшой длительности по сравнению с полной длительностью вспышек, которая может достигать нескольких часов. Еще более интересным явлением является квазипериодический характер всплесков ЖР и радиоизлучений, наблюдаемых в ряде событий (см. обзор [29]).
Для объяснения квазипериодических пульсаций (КПП) солнечных
вспышек был предложен ряд различных моделей, основу большинства которых
составляют магнитогидродинамические (МГД) осцилляции магнитных
(токовых) петель короны. Характерные наблюдаемые периоды КПП интенсивности микроволнового и рентгеновского излучений вспышек составляют единицы-десятки секунд. Это хорошо соответствует периодам собственных мод МГД осцилляций вспышечных петель [10, 28, 23, 15, 16]. Тем не менее, несмотря на многочисленные наблюдения КПП во вспышках, прямых наблюдений пространственных смещений вспышечных петель не проводилось.
После запуска солнечных телескопов Hard X-ray Telescope (HXT, cпутник Yohkoh) и Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI), регистрирующих ЖР излучение и позволяющих получать изображения его источников с высоким угловым разрешением (до 2.3 угл.сек.), было убедительно продемонстрировано, что ЖР источники вспышек обычно не являются стационарными, они перемещаются по активной области во время вспышки [31, 6, 9]. Более того, на основе анализа нескольких вспышек было показано, что источники КПП ЖР излучения тоже могут перемещаться [11, 33]. В этих работах было установлено, что ЖР источники КПП перемещаются во время вспышки преимущественно вдоль линии инверсии магнитной полярности (ЛИМП) родительской активной области. Это указывает на то, что
КПП, по крайней мере ЖР излучения, могут иметь иную причину, нежели МГД осцилляции корональных петель. А именно, отдельные пульсации могут испускаться из различных участков вспышечной области – из различных петель вспышечной магнитной аркады. Такие предположения согласуются с идеями об ''элементарных вспышках'', разработанных много лет назад [5, 14].
Насколько известно, до сих пор не было наблюдений КПП жесткого рентгеновского излучения на примере большого количества солнечных вспышек, наблюдаемых в диапазоне жесткого рентгеновского излучения с высоким пространственным разрешением. Все предыдущие исследования демонстрировали штучный характер наблюдений КПП ЖР излучения во вспышках [11, 33, 13]. Только несколько наиболее ярких и интересных солнечных вспышек, сопровождаемых значимыми КПП ЖР излучения, было рассмотрено в этих работах. Поэтому не представлялось возможным делать какие-либо обобщающие выводы относительно физических механизмов, ответственных за генерацию КПП ЖР излучения во вспышках. До сих пор не было ясно, движение источников квазипериодических пульсаций ЖР излучения является общим для всех солнечных вспышек явлением, или же перемещения источников КПП характерны только лишь для некоторых специфических вспышек. Результаты данной работы позволяют получить ответ на этот вопрос.
Целью диссертационной работы является определение наблюдаемых свойств пространственных характеристик микроволнового и жесткого рентгеновского излучений солнечных вспышек и получение ограничений на модели энерговыделения и ускорения частиц во вспышечных петлях. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
-
Разработка метода определения доминирующего эффекта при формировании низкочастотного завала спектра микроволнового излучения солнечных вспышек на основе наблюдений с высоким пространственным разрешением.
-
Поиск особенностей пространственного распределения поляризации микроволнового излучения во вспышечных петлях, важных для диагностики питч-угловой анизотропии энергичных электронов.
-
Выяснение тонкой пространственной структуры источников квазипериодических пульсаций микроволнового излучения солнечных вспышечных петель.
-
Определение связи пульсаций во временных профилях интенсивности жесткого рентгеновского излучения и пространственной динамики его источников на большом наблюдательном материале
Научную новизну диссертационной работы характеризует, прежде всего,
использование данных наблюдений наиболее совершенных инструментов:
радиогелиографа Нобеяма, магнитографов Michelson Doppler Imager
(SOHO/MDI) и Helioseismic Magnetic Imager (SDO/HMI), находящихся на борту космических обсерваторий Solar Heliospheric Observatory и Solar Dynamic Observatory, соответственно, а также космического аппарата RHESSI – обладающих лучшим пространственным разрешением в радио, оптическом и рентгеновском диапазонах на сегодняшний день. Кроме того, новизна и оригинальность работы обусловлены следующими фактами:
– Предыдущие исследования по выявлению роли того или иного эффекта в формировании наклона спектра микроволнового излучения проводились по наблюдениям без пространственного разрешения. В настоящей работе в результате анализа данных наблюдений с высоким пространственным разрешением впервые удалось установить свойства эволюции наклона микроволнового спектра, позволяющие четко определять механизм формирования низкочастотного завала спектра микроволнового излучения;
– Впервые проведен сравнительный анализ динамики степени поляризации микроволнового излучения в различных частях вспышечной петли на основе пространственно-разрешенных данных радиогелиографа Нобеяма. Обнаружена пространственная и временная инверсия знака круговой поляризации вспышечного излучения;
– Впервые проведен анализ пространственной динамики источников КПП жесткого рентгеновского излучения на большом количестве солнечных вспышек по данным RHESSI. Такой систематический подход позволил установить, что изменение положения источников КПП жесткого рентгеновского излучения от пика к пику является общим свойством для солнечных вспышек с пульсациями.
Научная и практическая значимость
– Обнаруженные закономерности динамики наклона частотного спектра микроволнового излучения указывают на то, что эффект Разина на частотах, по крайне мере, до 17 ГГц может играть существенную роль, и им нельзя пренебрегать при радиодиагностике солнечных вспышечных петель.
– Обнаруженные наблюдательные закономерности распределения степени поляризации микроволнового излучения вдоль солнечных вспышечных петель являются принципиально важными для определения типа питч-углового распределения ускоренных электронов во вспышечных петлях.
– Выявленные особенности динамики источников КПП жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек дают указание на то, что наблюдаемые пульсации ЖР излучения обусловлены последовательным вовлечением во вспышечный процесс новых вспышечных петель. Данное обстоятельство необходимо учитывать при выборе моделей КПП.
Положения, выносимые на защиту
-
Метод определения доминирующего механизма низкочастотного завала спектра по спектральной эволюции микроволнового излучения вспышечных петель на частотах 17 ГГц и 34 ГГц. Метод основан на обнаруженных трех характерных типах динамики наклона частотного спектра, обусловленных разными физическими явлениями (самопоглощение, эффект Разина, уплощение энергетического спектра электронов).
-
Результаты моделирования динамики распределения энергичных электронов и характеристик их микроволнового излучения, позволившие объяснить обнаруженные типы динамики наклона частотного спектра в различных частях вспышечных петель.
-
Обнаружение явления пространственной и временной инверсии знака круговой поляризации микроволнового излучения на 17 ГГц вдоль вспышечной петли.
-
Общий характер динамики источников КПП жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек, установленный на большом наблюдательном материале и заключающийся в изменении положений источников КПП от пика к пику.
Достоверность полученных результатов подтверждена их обсуждениями на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах, а также публикациями в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах основных материалов, изложенных в диссертации.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на следующих Всероссийских и международных конференциях:
Научная конференция по радиофизике (Нижний Новгород, Россия, 2005, 2011, 2012);
Всероссийская ежегодная конференция по физике Солнца "Солнечная и солнечно-земная физика" (Санкт-Петербург, Россия, 2007-2009, 2011, 2012, 2015);
Ежегодная конференция "Физика плазмы в Солнечной системе" (Москва, Россия, 2015, 2016);
CESRA WorkShop (Prague, Czech Republic, June 24-29, 2013);
Workshop and School on RadioSun (Beijing and Inner Mongolia, China, October 28-November 4, 2013);
2nd Workshop and School on RadioSun (Lublin, Poland, May 26-30, 2014);
RadioSun WorkShop on Solar Flares and Energetic Particles (Saint-Petersburg, Russia, August 11-15, 2014);
14th European Solar Physics Meeting (Dublin, Ireland, September 8-12, 2014);
RadioSun-4 Workshop and Summer School (Irkutsk, Russia, June 8-12, 2015);
5th RadioSun Workshop and Summer School (Ceske Budejovice, Czech Republic, May 23-27, 2016).
Solar Physics with Radio Observations-2016 (Nagoya, Japan, September 9-11, 2016)
Кроме того, результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах в НИРФИ, ННГУ им. Лобачевского (Нижний Новгород), в Пулковской обсерватории (Санкт-Петербург), ИКИ РАН (Москва), Nobeyama Radio observatory (Япония), University of Glasgow (Великобритания), Ondrejov observatory (Чехия).
Практической апробацией работы является успешное выполнение проектов РФФИ: № 14-02-00924 Радио- и рентгеновская диагностика ускоренных электронов в солнечных вспышках; ''мол_нр'' № 15-32-50659 ''Исследование пространственной динамики источников квазипериодических пульсаций жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек''; ''мол_нр'' № 16-32-50-117 ''Исследование связи источников пульсаций жесткого рентгеновского излучения с магнитными полями и электрическими токами во вспышечных областях на Солнце'', а также ФЦП ''Кадры'' № 8524 и международного проекта RADIOSUN FP7-PEOPLE-2011-IRSES-295272.
Личный вклад автора. Научные исследования, результаты которых
представлены в диссертации, выполнены автором самостоятельно или при его
непосредственном участии. Постановка задач, обсуждение и интерпретация
полученных результатов проводились совместно с соавторами. Обработка
данных наблюдений была проведена автором самостоятельно. При анализе
наблюдательных данных использовалось программное обеспечение,
разработанное лично автором. Программы для расчета кинетики энергичных электронов и их радиоизлучения во вспышечной петле были разработаны в НИРФИ коллективом соавторов.
Публикации по теме диссертации
Автор имеет 12 опубликованных работ по теме диссертации, в том числе 6 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК, и 6 статей в материалах Всероссийских и международных конференций и симпозиумов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 151 страницу, включая 42 рисунка и 7 таблиц. Список литературы содержит 101 библиографическое наименование.