Содержание к диссертации
Введение -і
Глава I Плазменный механизм генерации радиоизлучения
звёзд 18
1.1 Механизмы радиоизлучения звёзд 19
1.2 Особенности нлазмешюго механизма радиоизлучения звёзд
поздних епекіральньїх клаееои 23
-
Общие замечания 23
-
Трансформация плазменных ноли в'-элекгромагиш-
ные 27
-
Результаты расчёюв 33
-
Обсуждение результатов 37
1.3 Вьісоконаирашіенное радиоизлучение CU Vir 39
-
CU Vir: общие сведения 39
-
Модель электронною циклотронного мазера .... -11
-
Плазменный механизм радиоизлучения. Диаі рамма направленности 44
1.4 Выводы 53
Глава II Условия выхода радиоизлучения из звёздных ко
рон 56
2.1 Проблема выхода радиоизлучения 57
2.2 Окна прозрачносіи и звёздных коронах 60
2.3 Процессы перекачки волн по углу в зоны выхода GG
2.4 Обсуждении и вы поды G8
Глава III Диагностика параметров корональпой плазмы по
пульсациям излучения звёздных вспышек 70
3.1 Введение 70
3.2 Радиопульсации AD Leo 73
-
Данные наблюдении 73
-
Плазменный механизм 75
-
Модель RLC-копгура 77
3.3 Пульсации оптическою излучения EV Lao 82
-
Наблюдения и возможные ишериреіации 82
-
Колебания осесимчеіричпой магми і ной і рубки , . 81
-
Собеївенные моды корональных шмель 87
-
Диагносмика вспышечной плазмы 89
-
Об и(Ч очнике он іичеокої о излучения 93
3.3.G Обсуждение реіулма'іои и выводы 95
3.4 Выводы 9G
Заключение 98
Литература 101
Введение к работе
Накопленные за последнее- время данные наблюдении звеїд її оптическом, радио и решгеновском диапазонах указывают на то, чю звГчды проявляют всиышечпую активності., во многом аналогичную солнечной. Вспышки заретисірированьї среди многих классов звГчд, в час і нос і и, на вспыхивающих звёздах спектральных классов dMe и (1Ке, в тесных двойных сисіемах типа RS CVn, Algol и W UMa, на магнитных химически пекулярных {МСР) Ар и В]> звёздах. Для посіроения моделей звёздных вспышек активно иепользуеіся меюд еолиечио-звёуптых аналогий |5]. С друїой сюроны, развитие моделей звёздных вспышек пошолжч обобщи II» П0НЯ1ИС вспышечного процесса и тем самым приблизится к пониманию н])ироды вспышек на Солнце.
Несмоіря на схожееп» наблюдательных проявлений вспышечной активности Солнца и звёзд, между ними существует ряд отличии, обусловленных различными сіадиями их эволюционного развития. Так, например, красные карлики, характеризую і ся высоким фактором заполнения поверхности звезды пятнами. МСР звёзды имеют юраздо более сильные фоюеферные магнитные поля. Таким образом, короны зіих звєїд имеют юраздо более сильно разни і ую сіруктуру магии і ною поля и, кроме тою, характеризую! ся также более высокой темпераіурой. По-) і ому природу излучения корон звёзд необходимо рассматривав как самое і о-яіельную задачу.
Типичным элеменюм магии той сіруктурьі короны, как на Солнце. так и па всиышечно-активных звёздах, являє і ся ко]юнальная магпишая арка (петля). Наблюдения Солнца с высоким просіранственньїм разре- пкчшем при помощи космических аипаракж (SOHO, TRACE, KOPOIIAC-
Ф) показали, ч'юсолнечные вспышки вошикаюг в корональных арках. С арками 'іакжо е'вя л.іваюг процессы нагрева короны и ускорения наряженных часіиц. Поэюму в большинстве современных моделей вепышочною эперюныделения привлекаю ієн арочные магнипп.іе ечрукчуры.
В огличие or Солнца, получить просіраиегвенио разрешённые изображении звёздных арок невозможно из-за сильной удалёнпеими звічд. Потому при проведении диапюсшки звёздных корональных арок обычно привлекаю!' меюдики, включающие большое количество ней шестых парамоіров |55. 92], и результаты, полученные разными авюрами, замем-но расходяїся.
Диссеріация посвящена развитию чім одой диапюсшки короиальной плазмы на основе аишіиза особенное і ей вспышечною радио и опшче-скою излучения звёзд. Для исследования были выбраны *іри звечды: красные карлики AD Leo, EV Lac и МСР зпоїда CU Vir. Выбор таких обьокюв обусловлен их высокой вспышечной активностью и досіаіочным количесшоч наблюдений в радио, ошичееком и решіеновском диапазонах.
Значніельный протрете в развитии чеюдов диапюсшки па])амсіроі! ко])ональпых псіель вепышечно-активных звёчд и Солнца можег бьпь досшгнуг блаюдаря исследованию 'іонкой временной ечруктуры излучения звёздных вспышек. Наблюдения вспышечною излучения Солнца в широком диапазоне длин волн показываю г, чю оно чаемо мо;еулиру-еіся квазииериодическич образом [33J. На звёчдах, в силу епециерики наблюдений, региечрация осцилляции вспышечною излучения являемся досіаючно редким собьиием. П отмочу каждая заретисірированная на зве {до вспышка песо г в себе уникальную информацию о сё аімосфере. Сравнивая наблюдения в разных облаеіях спектра, мы получаем более полную картину процессов, происходящих в аімосферах зїимд or фою-сферы до короны и звёздного вегра.
Выяснение природы пульсаций являемся в наеюнщее время пре'дче1- 'і ом мнотчислонных исследований. В свяш с проблемами происхождения вспышек и нагрева корош>і вошикло и ишенеивно разрабаїьшаеіея новое направленно асірофизнки, названное корональної! сейсмологией. Анализ осцилляции корональних пеіель даеі важную информацию о физических условиях в обласіи вепьппочного энорговыделепия [84J.
Пульсации радио и ренігеновского излучения Солнца в ряде моделей ечіпаюі следе і виєм возбуждения мапшчогидродинамических (МГД) колебаний короиальиых магнитных арок. Басіиан и др. |37| предложили модель, где пульсации радиоизлучения звезды AD Leo интерпретирую і -ся быстрыми магии юзвуковыми (БМЗ) осцилляциями магнитной і рубки. Однако, на основе БМЗ-колебаний сложно обьясиигь высокую добро пюсть пульсаций, рассматриваемых в [37].
Основной проблемой посіроения адекватных теорошческих моделей звёздных вспышек янляеіся подоскиок информации о значениях пара-моїров вспышечной плазмы (плогносіи, температуры, магии і hoi о ноля). Поэюму необходима разработка новых меюдов диагпоешки вспышек, основанных па анализе чонкой сірукгіурі>і излучения звГмд и еопо-сіавлепии наблюдаюльиых данных, полученных в различных волновых диапазонах.
Особую ценноеіь имеют наблюдения в радиодиапазоно, поскольку механизмы і операции радиоизлучении чре ты чайно чувствительны к значениям параметров коропалыюй плазмы (плогносіи, маши і нот поля) и энергичных члекіронон. Вспышечпое радиоизлучение зінчд чаею ха-ракіеризуеіся высокими яркоетными і ом пера і у рам и Z& > 101'1 К, бываем нолносіью поляризовано и обладает развитой ч он кой сірукчурой (внезапные поглощения, пульсации, спайк-иснлоски). Такие особенное і и солнечного радиоизлучения обычно инчериретируюіся на основе кого-рентых мазерных механизмов, таких как плазменный механизм и механизм члекіронною циклоіронного мазера (ЭЦМ).
Пламенный механизм генерации радиоизлучения корональных арок включает в себя два зі aim. На первом — в условиях конусной пеуеюй- чшюсіи, формирующейся в короналыюй арке, представляющей собой магии тую лопушку для энергичных элекфонов, н]юисходиг генерация плазменных ноли (ленгмюронских или іюлн верхнею гибридного рею-нанса). На іиором зіапе плазменные полны 'ірансформируюіся п элек-іромаїнитньїе полны радиодиапазона.
Плазменный механизм предосіавляет возможность диагностики солнечной короналыюй плазмы, ударных ноли и но і окон энергичных части н короне по скорости и направлению частотною дрейфа, наблюдающегося, например, но время солнечных неплесков II, III и по'юнкой с і рук type всплесков IV И V ІИІІОВ.
Плазменный механизм радиоизлучении на звёздах обладает рядом особенности. Так в работе Абада-Симон и др. (30] отмечалось, чю эффективное п> плазменного механизма на красных карликах на несколько порядков выше, чем на Солнце, чю требует своею обоснования.
Наличие маши і пых полей на МСР звёздах и красных карликах, ю-раздо более сильных, чем на Солнце, не ношоляег пользоваться приближением изоіропной плазмы. Поэюму реализация плазменного чехани і-ча в условиях звёздных короп с учёюч магнитною поля также требуеі специального рассмотрения.
В ряде случаев радиоизлучение звёзд харакіеризуетея узкой диаграч-мой паправленносіи и высокой еіененью поляризации. Данные особенное і и трудно обьж'ниіь в рамках плазменного механизма, имеющею в случае изоіропной плазмы широкую диаграмму направленности радиоизлучения. Однако, как известно из теории всплесков солнечного радиоизлучения III типа [9, 43], регулярная рефракция радиоволн в короне суіцесівенно влияет на форму диаграммы направленности. До сих нор влияние рефракции радиоизлучения, іенерируечою плазменным механизмом, на диаграмму направленности в коронах звё їд не исследовалась.
В отличие от плазменного механизма, механизм ЭЦМ обеспечиваеі узконаправленное радиоизлучение есіесівенньїм образом. Более того, ЭЦМ на первый взгляд предсіавляеіся более эффективным, поскольку обеспечивает непогредсіиениое усиление чдектромапппных іюли. Однако, как покадиш Сіеианов и др. |110|, радиоизлучение ЭЦМ испытывает сильное поглощение 'іенлоіюії корональної) плазмон на іармоннках электронной циклоіронной часюїьі, чю значиїельно снижает уровень выходящего радиоизлучении.
Проблема выхода радиоизлучения из корой Солнца и звёзд рассматривается в лиіерату])е, но результаты разных авюров оказываются противоречивыми. Так, например, в рабоїе Влахоеа и др. [114J, в отличие or [ПО], получено широкое «окно выхода» необыкновенных электромаг-шиных волн поперёк магнитною поля.
Температура корональной плазмы може г влиять на выход радиоизлучения из короны. Кроме того, имеюк'я указания на то, что процессы рассеяния радиоизлучения на тепловых ионах корональної! плазмы и мелкомасштабной плазменной турбуленпюсти способствуют выходу радиоизлучения из корой звёзд [ПО, 15]. Подетального исследования условий и процессов, обеспечивающих выход радиоизлучения из корон звёзд, не проводилось.
Цели работы
Провести анализ эффективности радиоизлучения, генерируемо! о плазменным механизмом, в коронах пепышечно-активпых звёзд для широкої о диапазона парамеїроіз плазмы и энергии сверх і силовых электронов.
Исследовать причины, способствующие формированию узкой диаграммы направленности радиоизлучения, іеиерируемоіо плазменным .механизмом. Рассмоіреіь случаи изоіропной и замагиичепной плазмы.
Обьяснить особенности радиоизлучения МСР звезды CU Vivginib, наблюдавшейся 2. 6 и 11 июня 1998 года на VLA, в чаепюсш, узкую диаграмму направленное!и, высокую яркосіпую температуру и сіопроцені ную поляризацию.
Иселодоват ь возможные механизмы, сіюеобсівующие выходу радио-и злучений iij короны звезды. Выяеншь. как влияет темпораіура корональної! плазмы на выход радиоизлучения из короны звезды.
Дать шиерпрсчацию выеокодобротпых пульсаций радиоизлучения непышки AD Leo, наблюдавшихся 4 ноября 1987 г. на 305 м радиотелескопе в Арееибо, и осцилляции опіическоіо излучения зве ЇДЬ! EV Lac, зарегистрированных 11 сентября 1998г. Па основе предложенных моделей определил ь нарамеїрьі иепышечной плазмы.
Научная и практическая значимость работы
Развитие моделей звёздных вспышек позволяет лучше понять природу вепышечных процессов на Солнце. Известно, чю вспышки, как наиболее мощные процессы в атмосфере Солнца, сопровождаемые и злучопиом в различных волновых диапазонах и выбросом в межпланеіноо космическое просірансіво энергичных чаешц, но многом определяют еосюя-нне околоземною космического просіранетва. Изменения іеомагиішіою поля вслодеівие вспышек также влияют на многие процессы, происходящие на Земле. Потому исследование физических условий и процессов при вспышках па звёздах предеіавляот интерес не только для асірофп-зики, но и для решения ряда прикладных задач.
Тем не менее, природа и механизмы солнечных и звёздных вспышек осіаюіея невыясненными. Трудности, возникающие при посіроении тео-реіических моделей вспышек и ыоюдов их прогноза, в значиюлыюй сіепени обусловлены недосип ком знаний об основных парамеїрах вспы-шечпой плазмы.
Ценный маїериал для диагностики вепышечной плазмы может бьпь получен на основе построения адекватных моделей особенное і ей радиоизлучения звёзд и пульсаций излучения в различных диапазонах длин воли. Научная новизна
В исследованиях, нредеіавленньїх в диеееріациошюй рабо і є, нривло- каюіся мої оды радиоастрономии, физики плазмы, коїюпальїіоії ооПечо-лопш, использую і ся солнечно-звёздные аналогии.
Новизна рабоїьі заключаемся чакжо is создании мої одой диагносіики параче і ров звёздных попыток по особенное і яч излучения звё'д в радио и on і внеском диапазонах. В диеееріациомной рабою, в часіносіп:
Усовершеиснюваньї мої оды диагносіики корональної! плазмы по данным наблюдений осцилляции излучения звёзд в отичооком и радио диапазонах. В отичооком диапазоне подобные мої оды позволили но доброї нос*t и, периоду и глубине модуляции пульсаций И !-лучения получи и» оценки плопіосіи и 'іемпораіурьі плазмы и магии і ного поля; в радиодиапазоне — оцепить плоіпосіь плазмы, магнитное поле, неличину электрическою чока во вспышочной арке, а чакжо '-энергию вспышки;
П])едложен пламенный механизм генерации радиоизлучения МСР звезды CU Vir, исходя из основных наблюдательных особенносіеії её испышечною радиоизлучения;
Впервые исследовано влияние рефракции на диаграмму направленности радиои'лучения, генерируемою плазменным механизмом, в коронах звеїд, ню позволило обьясниіьузконап])авлоннос;іь всплесков радиоизлучения CU Vir.
Показано, чю большая эффективное!ь плазменного механизма на красных ка]>ликах, по сравнению с Солнцем, связана о увеличенном длины конверсии плазменных волн в радиоизлучение и уменьшенном оптической юліципьі еіолкноііиіольною поглощения радиоволи і* юрячей плазме корон звё'д.
Исследовано циклоїровное поглощение радиоизлучения в коронах звёзд для широкою ишервала парамеїров корональноіі плазмы. G. Проведён еравншельпый анализ зффекіивносги п])Оцоооов рассеяния элекфочагнишых волн на тепловых ионах и мелкочаеппабной плазменной турбуленгнопи, способе і ну юіцих выходу радиоизлучения іи горячей плазмы корон звёзд. а защиту выносятся следующие резулыап.п
Анализ эффек і ивности радиоизлучения, і оперируемою плазменным механизмом, показал, чю и юрячих (Т > 107 К) коронах вспьппечно-активных звёзд плазменный механизм на 2-3 порядка более зффек-типсн, чем в короне Солнца. Эю связано с увеличением длины конверсии плазменных ноли в радиоизлучение и снижением ошической толщины етолкновителыюю поглощения в звёздных коронах.
Регулярная рефракция в короне звезды приводит к формированию узкой диаграммы направленности радиоизлучения, іенерирусмою плазменным механизмом, чю позволяет на ею основе шперпре-іироваїь интенсивное узконаправленное пол носі ыо поляризованное радиоизлучение МСР звезды CU Vir.
Сравшпельный анализ механизмов рассеяния радиоизлучения на тепловых ионах и мелкомасштабной турбулентности в корональной плазме, обеспечивающих выход радиоизлучения из короны звезды, показал, чю наиболее эффективным являемся рассеяние радиои j-лучония на ионно-звуковых волнах.
Меюд, основанный на модели корональной арки как эквиваденшо-ю злекіричеекого контура и илазменною механизма радиоизлучения, позволил пронесіи диагностику плошосги плазмы, магнитною поля, величины электрического тока, текущего в корональной арке, а также оцени і ь энергию вспышки на звезде AD Leo.
Модифицирован ме і од диагностики температуры, концентрации и магии тою поля вспытечной плазмы но глубине модуляции, доброї носі и и периоду пульсаций ошического излучения, вызванных радиальными колебаниями магии і пой арки. На его основе проведена диагноеіика плазмы в короне звезды EV Lac.
Содержание работы
Основное содержание диесеріационной работы опубликовано в рабочих [Г 10*]. ]
13о Введении обосновываеюя актуальность и научная новизна днесер і ациошюи рабо і ы. Приводятся к])аткое содержание рабо і ы и основные положения, выносимые на защиту.
В Главе I «Плазменный механизм і операции радиои їлучения звёзд» иселедуеіся пламенный механизм для случаев изотропной и замагпи-ченной плазмы зпёупилх корон,
В 1.1 приведён обзор основных механизмов генерации радиоизлучения.
В 1.2 на основе солнечно-звёщных аналогий в приближении изоіроп-ной плазмы авали шруеіся эффективность плазменного механизма генерации радиоизлучения из корональных арок красных карликовых звеїд с различными значениями шюіносги, темнораіурьі плазмы и "-энергии бькчрых электронов. Для с])авнения рассмотрены плазменный моханиш радиоизлучения из корональных арок на Солнце и в тесной двойной си-сюме.
Корональиые магнитные арки представляю г собой ловушки для энергичных (сворхтешюных) электронов. Захваченные электроны формируют апизоіропное распределение по скоросіям тина «конуса поіерь». чю при поди г к неустойчивосіям плазменных и электромагнитных волн. Наибольшим и и креме игом обладают лонгмюровекие волны с часююіі вблизи плазменной часюїьі з-локіронов uv. Наибольший вклад в радиоизлу-чение дают первые две гармоники плазменной часюїьі. П])и эюм радио-излучение основною юна (и ^ шр) возникает при ])элеевском ])ассеяппи 'Осношше ][j6iiik,imin аіяора и» тчме диссертационной работ [ і нрниедени носи: списка нитн-Pjt'iiofi ліітерат>рп П тексте днеарышгн сштмі на рабопл с jчастном аитора ошичінп шачком * поело помора работы лонгмюровеких іюлн на ионах тепловой плазмы. Радиоизлучение в юрой ырмоники (и й 2ujp) і оперируемся п])и комбинационном рассеянии (слиянии) плазменных ноли. Из закона сохранения энергии и дисперсионных cool ношений ленгмюровских и элоктромагнишых воли выводин-я выражение для размера области нелинейного взаимодейсюия волн. Ренте юя уравнение1 переноса радиоизлучения основного 'іона и в юрой гармоники плазменной часюїьі в эюй области с учёюм еобеі венного излучения плазмы, поглощения ча счёт сюлкновиїельньїх процессов и поглоіцеиия, вызванного нелинейным взаимодействием волн (1*, 3*]. Для кокрфици-еігіов излучения и поглощения радиоизлучения осношіоіч) 'іона использованы выражения, полученные Зайцевым и Степановым в рабою |123]. Сооїве їству юі цие коэффициент для в юр ой гармоники ВЗЯТЫ из моно-г])афии Желешякова [8].
При расчёю диаграммы радиоизлучения, гене])И])уемоі о плазменным механизмом, приближение изоірошюй плазмы сіапови'їся неадекнаїньїм. особенно на МСР звёздах, где магнитные поля досі а і очно сильные. В случае замагниченной плазмы наибольшим инкременюм обладаю і волны верхнею і ибридного резонанса с чаеююй &ин = \/ш| -f ^с-> ГА<' шс ~~ гпрочасюїа электронов. В 1.3 производиюя расчёт диаг]>аммьі радиоизлучения опювного тона вблиш часіоіьі ujvh- Исследуюіся основные факторы, формирующие узкую диаграмму плазмоиної о радиоизлучения основної о тона: (а) влияние внешнего маши і ною поля, (б) высокий уровень турбулентное!и плазменных волн, когда индуцированное рассеяние преобладает над спошапным (мазер-эффект), (в) влияние регулярной рефракции на диаграмму радиоизлучения основного тона при прохождении радиоволн через корону. При расчёю рефракции для иллюпрации рассматривался приближение сферически симметричной короны. Для инитерирования уравнения траектории луча в полярных координаїах пс-пользуеюя закон Декаріа-Снеллиуса и модельное распределение плоі-ноеіи плазмы в короно [2*, 4*].
На основе резулыатов, полученных в 1.2 и 1.3, преде і авлєна ишер- преіация узконанравлешюго. полносіью поляризованного вепьшіечноіо радиои ілучсния МСР звєідьі CU Vir, наблюдавшеюся 2, 6 и 11 июня 1998 і ода на VLA на часюїе 1.4 ГГц [4*].
В Главе II «Условия выхода радиоизлучения из звоїдньіх корон» в 2.1 приведён обзор работ, в коюрых исследуоіея проблема выхода из корон знс'чд и Солнца радиоизлучения, і оперируемою чехами їмом ЭЦМ Проблема заключаемся в том, чю ЭЦМ генерирует преичуще-сівеїпіо необыкновенные электромагниты? волны поперёк магниіною поля. При эюм, как показали Сіепаиов и др. [110], необыкновенные волны целиком поглощаю їси -юшювой плазмой на гармониках гирочаеюіьі SjJc, где s = 2,3,... — номер гармоники.
В 2.2 для пшрокого ишервала значений температуры и илоімосіи плазмы п]юведён расчёт опіичеекой толщины процесса циклоіроіпюю поглощения тепловой плазмой обыкновенных и необыкновенных волн, н'нерируомых механизмом ЭЦМ, в зависимое! и от угла между волновым век і ороч "электромагнитной волны и магнитным полем (10*|.
В 2.3 предсіавлеп сравнительный анализ эффективное.!и процессов рассеяния электромагнитных волн на тепловых ионах и челкочаспиаб-ной плазменной турбулентноеіи, способствующих выходу радиоизлучения из юрячей плазмы корон звеїд {10*|.
