Введение к работе
Актуальность проблемы. Прогресс в развитии астрономических знаний в значительной мере обусловлен развитием инструментальных средств. В физике Солнца важнейшим методом изучения солнечных процессов является спектральный анализ. Спектральный анализ дает информацию о многих физических параметрах наблюдаемого структурного образования в солнечной атмосфере, таких как лучевая скорость, напряженность магнитного поля, плотность и температура плазмы и т. д. Основными инструментами для проведения спектрального анализа объектов на Солнце являются спектрографы и узкополосные фильтровые приборы. Спектрографы дают одновременно исчерпывающую информацию о контурах многих спектральных линий для участка солнечной поверхности, который вырезает входная щель спектрографа. Несмотря на существование разнообразных конструкций солнечных спектрографов, необходимо создавать их варианты, открывающие новые возможности для наблюдений. В работе описывается разработанный принципиально новый щелевой прибор. Этот прибор при небольших размерах дает высокое спектральное разрешение и вид спектра, как в обычном спектрографе. Такой спектрограф может быть установлен в ограниченном рабочем объеме. В нем благодаря малым размерам значительно меньше хаотические смещения спектральных линий (так называемое “дрожание спектра”) вследствие внутренних движений воздуха. Приводятся спектрограммы, полученные на рабочем макете разработанного малогабаритного спектрографа. Рабочий макет использован для исследования поляризации компонентов магнитного расщепления избранных линий в спектрах солнечных пятен.
Узкополосные фильтры являются, образно говоря, глазами гелиофизика, позволяя видеть панорамную картину событий на Солнце на уровне образования используемой линии и применять перспективный метод спектроскопии по изображению (imaging spectroscopy). Используется также другое название – метод двумерной спектроскопии (two-dimensional spectroscopy). Двумерная спектроскопия имеет несомненные преимущества над щелевой спектроскопией при построении карт лучевых скоростей, магнитных полей и других физических параметров. Всего несколько фильтрограмм, полученных в пределах рабочей линии, достаточно для построения контура этой линии во всех разрешаемых точках изображения. Поэтому с помощью компьютерных программ значительно упрощается построение карт магнитных полей, лучевых скоростей или других необходимых параметров используемой линии во всем поле зрения фильтра. Благодаря этому двумерная спектроскопия позволяет изучать солнечные явления с высоким пространственным и временным разрешением.
В настоящее время есть многое для применения двумерной спектроскопии – солнечные телескопы, матричные приемники излучения, компьютеры, многочисленные программы для всевозможных действий с изображениями. Не хватает только одного – узкополосных оптических фильтров с достаточным спектральным разрешением (R 105). В настоящее время основным устройством узкополосной фильтрации оптического излучения является интерференционно-поляризационный фильтр (ИПФ), значение которого для расширения наших знаний о Солнце трудно переоценить. Среди ИПФ с максимально узкой полосой пропускания есть созданные в Институте солнечно-земной физики в Иркутске [1].
Но весьма трудно сделать ИПФ перестраиваемым в достаточно широком спектральном интервале. Обычно ИПФ нацелен на одну из важных в гелиофизике хромосферных линий, перестраивается в пределах 1–2 относительно ее центра и носит название этой линии (например, Н-альфа фильтр, кальциевый фильтр и т. д.).
Из-за отсутствия больших и однородных кристаллов очень трудно сузить полосу ИПФ, чтобы использовать его для узких фотосферных линий, полуширина которых в видимой области спектра не превышает 70 м. Поэтому для применения двумерной спектроскопии к ИПФ добавляют дополнительные элементы, сужающие полосу пропускания. Часто в качестве дополнительного элемента применяется интерферометр Фабри–Перо [2,3]. Но основными недостатками интерферометра Фабри–Перо являются трудности выделения рабочего порядка и малое угловое поле зрения.
В приборе IBIS, установленном на солнечном телескопе имени Данна (Dunn Solar Telescope of the National Solar Observatory), для достижения высокого спектрального разрешения R>2105 и максимального пропускания применены два интерферометра Фабри–Перо без использования ИПФ [4]. На космической обсерватории SOHO в приборе MDI в качестве дополнительных элементов-ступеней к ИПФ использованы два оригинальных поляризационных двухлучевых интерферометра Майкельсона, обладающие большим угловым полем зрения [5].
Поэтому важной проблемой инструментальной гелиофизики является создание новых приборов для узкополосной фильтрации оптического излучения. Особое значение имеет разработка оптических фильтров, которые имели бы узкую полосу пропускания, широкое угловое поле зрения и возможность перестройки в широком спектральном интервале.
Целью данной работы является создание и применение для солнечных исследований принципиально новых спектральных и узкополосных фильтровых приборов.
Разработан, изготовлен и применен для спектроскопии солнечных пятен новый щелевой прибор – Интерференционный солнечный спектрограф (ИСС). В нем угловые дисперсии дифракционной решетки и эталона Фабри–Перо выравниваются в широкой спектральной области в результате найденного относительного расположения входной щели спектрографа, дифракционной решетки и эталона Фабри–Перо. Точное равенство дисперсий осуществляется, когда излучение от центра входной щели спектрографа падает после коллиматора по нормали на решетку, а пластины эталона Фабри–Перо располагаются перпендикулярно плоскости решетки без промежуточной оптики. Показано, что в этом случае форма искривления прямой входной щели спектрографа в различных длинах волн имеет вид концентрических дуг. В этих условиях излучение от дифракционной решетки может подсвечивать только один порядок эталона Фабри–Перо. В результате область свободной дисперсии эталона многократно расширяется.
Разработан, изготовлен и применен для двумерной спектроскопии Солнца другой спектральный прибор – Узкополосный перестраиваемый фильтр (УПФ). Предварительным монохроматором в нем является двойной монохроматор с вычитанием дисперсий, а окончательную полосу пропускания формирует интерферометр Фабри–Перо. Основная идея прибора состоит в том, что двойной монохроматор с вычитанием дисперсий дает четкое (дифракционное) изображение широкой входной щели при любой ширине промежуточной щели. Поэтому такой прибор может быть использован как хороший предварительный монохроматор для интерферометра Фабри–Перо. Промежуточная щель двойного монохроматора надежно гасит нерабочие порядки интерферометра Фабри–Перо. Полем зрения фильтра является широкое входное отверстие двойного монохроматора, в качестве которого использована ирисовая диафрагма, видимое в свете одного порядка интерферометра Фабри–Перо.
УПФ может быть изготовлен для любого спектрального диапазона, где работают дифракционная решетка и интерферометр Фабри–Перо. С ним возможно получение очень узкой полосы пропускания, но в ограниченном поле зрения. Основные работы автора выполнены, когда УПФ работал в ближней инфракрасной области спектра и имел полуширину полосы пропускания 0.24, а затем 0.30 (при более широком угловом поле зрения) в районе линии HeI 10830. Это самая узкая полоса пропускания, полученная с помощью фильтра в ближней инфракрасной области спектра.
Чрезвычайно большое значение для физики Солнца имеет создание универсальных фильтров, которые при достаточно узкой полосе пропускания имели бы широкое угловое поле зрения и могли бы перестраиваться по спектру в широком спектральном диапазоне. В работе показана возможность создания узкополосных широкоугольных и перестраиваемых в широком спектральном диапазоне ступеней оптического фильтра на основе двухлучевых интерферометров с полупрозрачными металлическими слоями.
Одной из фундаментальных проблем физики Солнца является проблема возникновения и ускорения солнечного ветра. В этой связи важным является знание крупномасштабной динамики вещества в верхней хромосфере. С использованием УПФ и метода двумерной спектроскопии впервые получены карты крупномасштабных лучевых скоростей на диске Солнца в верхней хромосфере в линии HeI 10830 с низким пространственным разрешением – около 40 (после усреднения 33 пиксела). В этом случае в качестве объектива телескопа использовалась небольшая линза. Показана тесная связь крупномасштабных лучевых скоростей в верхней хромосфере с фотосферными продольными магнитными полями.
Наиболее яркой и до конца ясной фундаментальной проблемой физики Солнца является проблема солнечных вспышек. Анализируются наблюдения мощной вспышки балла 3В/M7.1, произошедшей 23 сентября 1998 года в активной области NOAA 8340, на основе фильтрограмм, полученных с УПФ. Для анализа вспышечного процесса привлечены результаты наблюдений вспышки с космической обсерватории TRACE и в наземных обсерваториях. На основании целого ряда наблюдательных данных делается предположение, что излучение в основной эмиссионной зоне этой вспышки вызвано инжекцией плазмы в магнитную аркаду.
Цели работы. Работа посвящена разработке и применению новых спектральных и узкополосных фильтровых приборов. Основные цели работы можно сформулировать следующим образом.
-
Разработать, изготовить и применить для солнечных исследований принципиально новый ИCC. При небольших размерах спектрограф должен обеспечивать высокое спектральное разрешение, высокую дисперсию и обычный вид спектра.
-
Разработать, изготовить и применить для солнечных исследований УПФ принципиально новой конструкции. Фильтр должен давать узкую полосу пропускания и может быть использован для двумерной солнечной спектроскопии в широком спектральном диапазоне.
-
Показать принципиальную возможность создания узкополосных широкоугольных и перестраиваемых в широком спектральном диапазоне ступеней оптического фильтра на основе двухлучевых интерферометров с использованием полупрозрачных металлических слоев. Создать и испытать рабочий макет одной такой ступени на телескопе.
-
Получить методом двумерной спектроскопии распределение крупномасштабных лучевых скоростей в верхней хромосфере на диске Солнца в линии HeI 10830. Исследовать связь крупномасштабных лучевых скоростей в верхней хромосфере с напряженностью фотосферного продольного магнитного поля.
-
Исследовать явления в мощной солнечной вспышке. Использовать для этой цели уникальные по ширине полосы пропускания фильтрограммы, получаемые с помощью УПФ в ближней ИК-области спектра. Привлечь наблюдения других наземных и космических обсерваторий.
Новизна, научная и практическая ценность работы. Разработан принципиально новый ИСС. Спектрограф основан на совместном применении в качестве диспергирующего элемента спектрографа дифракционной решетки и эталона Фабри–Перо с воздушным промежутком между пластинами. Эти два оптических элемента устанавливаются без промежуточной оптики при таком взаимном положении, в котором их угловые дисперсии выравниваются в широком спектральном интервале. Точное равенство дисперсий достигается при установке пластин эталона Фабри–Перо перпендикулярно плоскости дифракционной решетки, а сама решетка работает при нормальном падении на нее излучения от центра прямой щели. Использование такого диспергирующего устройства дало возможность создать малогабаритный спектрограф с высоким спектральным разрешением. Высокая угловая дисперсия дифракционной решетки достигается использованием больших углов дифракции на решетке при необходимых малых углах падения. Наилучшую концентрацию света в этих условиях дает решетка с постоянной (период нарезки решетки), близкой длине волны исследуемого спектрального интервала. Фотометрия показывает, что такая решетка сохраняет высокую концентрацию света для плоскости поляризации, перпендикулярной штрихам решетки, вплоть до угла дифракции 85.
Значительная яркость спектра, сравнимая с яркостью спектра в обычных дифракционных спектрографах, достигается в ИСС за счет разработанного варианта эталона Фабри–Перо с открытым входом излучения от решетки в промежуток между пластинами эталона. Изготовлен и применен для спектроскопии солнечных пятен рабочий макет малогабаритного ИСС.
На диспергирующее устройство, состоящее из дифракционной решетки и эталона Фабри–Перо и лежащее в основе ИСС, получено авторское свидетельство № 536403.
Схема и основные свойства ИСС, разработанного автором, приводятся в книге И.М. Нагибиной и Ю.К. Михайловского “Фотографические и фотоэлектрические спектральные приборы и техника эмиссионной спектроскопии” [6], допущенной в качестве учебного пособия для студентов оптических специальностей вузов.
ИСС может быть использован для создания малогабаритных спектрографов высокого разрешения, которые могут быть установлены в ограниченном рабочем объеме.
Для применения перспективного метода двумерной (фильтровой) спектроскопии Солнца разработан, изготовлен и применен принципиально новый УПФ. В качестве предварительного монохроматора в нем использован двойной монохроматор с вычитанием дисперсий, а окончательную полосу пропускания фильтра формирует сканирующий интерферометр Фабри–Перо. Основным достоинством УПФ является возможность получения очень узкой полосы пропускания. Фильтр сравнительно прост в изготовлении. Он может быть изготовлен для любой спектральной области, где работают дифракционная решетка и интерферометр Фабри–Перо. С УПФ получены основные результаты солнечных исследований, приведенные в диссертации.
Принцип работы фильтра, разработанного автором, кратко изложен в книге В.В. Лебедевой “Экспериментальная оптика” [7]. Эта книга рекомендована в качестве учебника для студентов высших учебных заведений по специальности “Физика”.
Разработана принципиальная оптическая схема узкополосных, широкоугольных и перестраиваемых в широком спектральном диапазоне ступеней оптического фильтра на основе нескольких последовательно расположенных двухлучевых интерферометров. Известно, что двухлучевые интерферометры являются перспективными аналогами ступеней интерференционно-поляризационного фильтра [8]. В двухлучевом интерферометре не используются кристаллы, возможно получение большой разности хода и соответственно практически любых узких полос пропускания ступени. При определенном соотношении между разностью хода в плечах интерферометра в стекле и воздухе ступень имеет широкое поле зрения, т. е. становится широкоугольной.
Использован ранее не применявшийся вид интерференции света – многократная последовательная двухлучевая интерференция света на полупрозрачных металлических слоях. С применением этого вида интерференции существенно упрощается оптическая схема нескольких ступеней фильтра на основе двухлучевых интерферометров, так как значительно уменьшается число необходимых расщеплений луча. Разработана оптическая схема нескольких таких ступеней, в которой приняты меры для получения устойчивой интерференционной картины. Решающее значение для пропускания нескольких ступеней имеет значительное уменьшение поглощения света полупрозрачным металлическим слоем в максимумах интерференционных картин. Так, для полупрозрачного слоя хрома, поглощение уменьшалось от 97% в минимумах интерференционных картин до 5% в максимумах. Использовалась зеленая линия ртути и плоскость поляризации, лежащая в плоскости падения излучения на слой. Изучение влияния фазы интерференции на поглощение света полупрозрачным металлическим слоем радикальным образом меняет существующее представление об использовании полупрозрачных металлических слоев в интерферометрах.
С использованием метода двумерной спектроскопии и разработанного УПФ впервые получены карты крупномасштабных лучевых скоростей на всем диске Солнца в верхней хромосфере по линии HeI 10830. Показана тесная связь крупномасштабных лучевых скоростей в верхней хромосфере с продольными магнитными полями. Проведенные оценки показывают, что небольшой части плазмы, поднимающейся в крупномасштабных структурах верхней хромосферы, достаточно для образования высокоскоростного солнечного ветра.
С УПФ были получены многочисленные фильтрограммы в линии HeI 10830 мощной солнечной вспышки, произошедшей 23 сентября 1998 г. в активной области NOAA 8340. Фильтрограммы получены в центре линии с рекордно узкой полушириной полосы пропускания 0.24. Наблюдавшиеся в линии гелия арки показали единую магнитную аркаду основного пятна активной области. Изучение этой вспышки с привлечением данных наземных и космических обсерваторий позволило сделать обоснованное предположение об инжекции плазмы из нижних слоев атмосферы Солнца в расширяющуюся магнитную аркаду во время этой вспышки. Это предположение естественным образом объясняет возникновение, форму и перемещение основной эмиссионной зоны этой мощной вспышки.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались на научных семинарах ГАО РАН, ГАИШ, семинарах рабочей группы “Солнечные инструменты”, а также на многочисленных конференциях солнечной тематики. Ниже приводится список основных мероприятий в хронологическом порядке.
-
Материалы пятой Всесоюзной астрономической конференции “Наблюдательные проблемы астрономии”. Ленинград, 1976.
-
Пленум комиссии астрономического приборостроения. Иркутск, 1979.
-
Семинар рабочей группы “Солнечные инструменты”. Абастумани, 1984.
-
Семинар рабочей группы “Солнечные инструменты”. Киев, 1986.
-
Семинар рабочей группы “Солнечные инструменты”. Ашхабад, 1988.
-
Семинар рабочей группы “Солнечные инструменты”. Иркутск, 1990.
-
Конференция “Крупномасштабная структура солнечной активности: достижения и перспективы”. Санкт–Петербург, 1999.
-
Конференция “Солнечная активность и ее земные проявления” (посвященная памяти Г.В. Куклина). Иркутск, 2000.
-
Международная конференция “Солнце в эпоху смены знака магнитного поля”. Санкт–Петербург, 2001.
-
Международная конференция “Солнечная активность и космические лучи после смены знака полярного магнитного поля Солнца”. Санкт–Петербург, 2002.
-
VII Пулковская международная конференция “Климатические и экологические аспекты солнечной активности”. Санкт–Петербург, 2003.
-
IAU Symposium Nо. 223 “Multi–Wavelength Investigations of Solar Activity”. St. Petersburg, 2004.
-
IX Пулковская международная конференция “Солнечная активность как фактор космической погоды”. Санкт–Петербург, 2005.
-
Всероссийская конференция “Многоволновые исследования Солнца и современные проблемы солнечной активности”. САО РАН, п. Нижний Архыз, КЧР, 2007.
-
XI Пулковская международная конференция “Физическая природа солнечной активности и прогнозирование ее геофизических проявлений”. Санкт–Петербург, 2007.
-
Всероссийская астрономическая конференция “ВАК–2007”. Казань, 2007.
-
Всероссийская конференция “Солнечная и солнечно–земная физика – 2008”. Санкт–Петербург, 2008.
-
Всероссийская конференция по физике Солнца “ Год астрономии: солнечная и солнечно–земная физика – 2009”. Санкт–Петербург. 2009.
-
Всероссийская конференция по физике Солнца “Солнечная и солнечно-земная физика – 2010”. Санкт–Петербург. 2010.
-
Всероссийская конференция по физике Солнца “Солнечная и солнечно-земная физика – 2011”. Санкт–Петербург. 2011.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Создан принципиально новый ИСС, в котором за счет выравнивания угловых дисперсий дифракционной решетки и эталона Фабри–Перо достигается многократное расширение области свободной дисперсии эталона, реализуется высокое спектральное разрешение при небольших размерах спектрографа и обычном виде спектра. Для увеличения освещенности спектра разработан и применен видоизмененный эталон Фабри–Перо с открытым входом излучения от дифракционной решетки в промежуток между пластинами эталона. Рабочий макет ИСС использовался для спектроскопии пятен на Горизонтальном солнечном телескопе Пулковской обсерватории.
-
Разработан УПФ принципиально новой конструкции. Предварительным монохроматором в нем является двойной монохроматор с вычитанием дисперсий, а окончательную полосу пропускания формирует сканирующий интерферометр Фабри–Перо. Рабочий макет фильтра применялся на Горизонтальном солнечном телескопе Пулковской обсерватории для двумерной спектроскопии Солнца. В последние годы УПФ использовался в ближней ИК-области спектра и имел полуширину полосы пропускания 0.3 в районе линии HeI 10830. Узкополосный фильтр перестраивается в широком спектральном диапазоне и может быть изготовлен для любой области спектра, где работают дифракционная решетка и интерферометр Фабри–Перо.
-
Разработана схема узкополосных широкоугольных и перестраиваемых в широком диапазоне спектра ступеней оптического фильтра на основе двухлучевых интерферометров с полупрозрачными металлическими слоями. Для упрощения схемы нескольких ступеней фильтра использован новый вид интерференции света – многократная последовательная двухлучевая интерференция света на полупрозрачном металлическом слое. Для стабильности юстировки и возможности перестройки в широком спектральном диапазоне основные части каждой ступени жестко закрепляются между собой и имеют воздушные зазоры по ходу лучей. Юстировка и перестройка по длинам волн осуществляются вставными элементами, работающими на пропускание света. Изготовлена и испытана на телескопе одна такая ступень.
-
Впервые получены карты распределения крупномасштабных лучевых скоростей в верхней хромосфере на диске Солнца по линии HeI 10830 с использованием разработанного УПФ и метода двумерной спектроскопии. Наблюдаются три зоны подъема хромосферной плазмы: экваториальная и две полярные. Все зоны значительного подъема (большие по абсолютной величине 1.5 кмс–1) приходятся на зоны слабой интенсивности внутренней короны, наблюдаемые в линии FeIX–X 171 на космической обсерватории SOHO. Опускание хромосферного вещества с лучевыми скоростями до 4 кмс–1 происходит над активными областями и особенно отчетливо наблюдается в окрестности пятен и в факельных полях. Сравнение с продольными магнитными полями показывает, что сильным магнитным полям с |Н| >100 Гс соответствуют только положительные крупномасштабные лучевые скорости хромосферы независимо от знака поля. Показано, что четырех процентов потока массы, поднимающегося в крупномасштабных структурах верхней хромосферы, достаточно для образования высокоскоростного солнечного ветра.
-
На основе анализа изображений мощной солнечной вспышки, балла 3В/M7.1 за 23 сентября 1998 года в линии HeI 10830, полученных с УПФ, показано, что в импульсной фазе вспышки арки образуют единую магнитную аркаду. Определены размер и ориентация и аркады. Для анализа вспышки в различных температурных интервалах использованы изображения вспышки в линиях CIV 1550 и Fe XII 195 с космической обсерватории TRACE. Выдвинуто предположение, что во время этой вспышки происходила инжекция плазмы в расширяющуюся магнитную аркаду через ее основание. Такое предположение объясняет возникновение, наблюдаемую форму и направление перемещения основной эмиссионной зоны этой вспышки.
Личный вклад автора и публикации по теме диссертации. ИСС, УПФ и ступени фильтра на основе двухлучевых интерферометров с полупрозрачными металлическими слоями разработаны автором самостоятельно. С помощью Отдела астрономического приборостроения ГАО, созданы рабочие макеты этих приборов. Наблюдения на этих приборах проводились автором. Прикладные компьютерные программы, с помощью которых получены карты лучевых скоростей и продольных магнитных полей, написаны старшим научным сотрудником Пулковской обсерватории В.В. Куприяновым на основе подробных исходных данных, составленных автором. Большая часть опубликованных и вошедших в диссертацию работ выполнена без соавторов. В статьях, написанных с соавторами, автору принадлежит равный вклад с другими.
По теме диссертации опубликовано 27 работ, из них 14 – в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций. Без соавторов написано 18 работ.
Структура и объем диссертации
