Введение к работе
Актуальность темы
Детальное изучение структуры и динамики атмосферы Солнца важно как для решения общих, фундаментальных проблем физики солнечной и звездных корон, таких как понимание механизмов нагрева коронального вещества в спокойном состоянии и во время вспышек, генерация и ускорение солнечного ветра, формирование межпланетной среды, так и для решения задач солнечно-земных связей, определяющих структуру и динамику процессов в верхней атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли1*2. Исследование излучения солнечной короны и диагностика параметров плазмы, являются важными составляющими в решении этих проблем.
Крайний вакуумный ультрафиолетовый (ВУФ) диапазон спектра (10/1000 А) является наиболее удобным для проведения этих исследований, что связано с тем, что излучен Солнца этой области формируется линиями многозарядных ионов с электронными температурами возбуждения 104/Ю7 К, соответствующими кэроне на высотах от переходного слоя3, а так же с практическим отсутствием непрерывного спектра. В комплексе с наблюдениями Солнца и межпланетной среды в других спектральных диапазонах эти исследования важны дм изучения солнечно-земных связей и реакции атмосферы на солнечную активность, предсказания геоэффективных событий и решения некоторых прикладных задач.4,5
Экспериментальные исследования солнечной короны в крайнем ВУФ диапазоне спектра начались в середине прошлого века с развитием космической техники. Первоначально они развивались по двум параллельным направлениям: исследование пространственной структуры короны с помощью широкополосных изображающих инструментов6 и определение параметров плазмы методами спектроскопии высокого разрешения7.
Позднее был реализован метод изображающей спектроскопии крайнего ВУФ диапазона, основанный на получении изображений полного Солнца с высоким пространственным, спектральным и временным разре-
'Шкловский, Физика солнечной короны, Государственное ивд-во фиэ.-мат. Литературы, Москва,
Мандельштам и др, Искусстгенные спут» икн Земли, 196ІІЇМЛ.10, fiT? АЗОНАЛЬНАЯ I
Д.Е, Space astrophysics, 1961, р.34 P<-Ji^„«ц.
Гибсои, Э., Спокойное Солнце, 1977, изд-во «Мир», Москва Phillips, KJH., The Guide to the Sun, Cambridge Univ. Press, 1992 Веселовский и др. космические исследования, 2004, в печати Житник и др.. Астрономический вестник, 2003, Т.37, №4, стр.1
Hintereggcr,H.E, Space astrophysics, 1961, p.34 I "cur л и ОТЕКА I
^«4?
СПет О» 2'
шекием. Анализ данных, полученных с помощью этого метода, позволяет определять основные параметры плазмы: электронную и ионную плотности и температуры, обилие элементов, температурное распределение излучающего вещества (дифференциальную меру эмиссии), в различных коро-нальных структурах, а также исследовать их тонкую структуру и динамику. Для определения параметров плазмы могут быть использованы данные как широкополосных (телескопических), так и спектральных наблюдений в монохроматических линиях. Интерпретация телескопических данных основана на анализе изображений Солнца, зарегистрированных в различных спектральных диапазонах, одновременно или с небольшой временной задержкой. С использованием моделей, описывающих параметры плазмы в различных солнечных структурах можно оценить дифференциальную меру эмиссии (ДМЭ) и определить электронную температуру плазмы (Те), используя отношение интенсивностей одних и тех же участков изображения в разных спектральных интервалах. Этот метод применяется при обработке данных солнечных телескопов Yohkoh/SXT8 и SOHO/ЕГГ9. Ограничения этого метода заключаются в больших погрешностях, связанных с выбором конкретной модели, что. в свою очередь, связано с неопределенностью обилия элементов в солнечной короне, а также с наличием в спектральных диапазонах инструментов большого количества неидентифици-рованных линий.
Более точными являются методы, основанные на анализе спектроскопических данных. Для определения плотности плазмы используются плотностно-зависимые отношения интенсивностей двух линий одного иона10'11'12, что позволяет исключить неопределенности, связанные с обилиями элементов и ионизационной температурой. Совместное применение плотностной диагностики и восстановление ДМЭ позволяют оценить объем, занимаемый излучающей плазмой. Сопоставление ДМЭ, полученных по линиям ионов различных элементов, позволяет оценивать относительные обилия элементов.
Нага П., Tsuneta S., Letnen J. R_, Acton L. W, McTiernan J. M., Publications of the Astronomical Society of Japan, 1992, v. 44, p. 1J5-L140
' Zhang, Jie, Thesis (PbD). University ol Ми/lani, College Paik, Source DA1-B 60/12,19996, p. 6155 и Jordan С, АЛА, 1974, v. 34, p. 69
11 Dere K. P., Mason H. E., Widing K. G., Bhatia A. K., Astophys. J. Suppl. Ser., 1979, v. 40, p. 341 111.Zhitnik, et al, Mon. Not R. Astron. See, 1999,30, p.228
Исследование спектров излучения Солнца является важным для целей фундаментальной спектроскопии и атомной физики, так как условия в солнечной короне идеальны для формирования спектров многозарядных ионов. В частности, результаты диагностики солнечной плазмы позволяют проверять точность расчетов теоретических атомных констант13.
Пионерские работы в области изображающей спектроскопии Солнца в крайнем ВУФ диапазоне были проведены на орбитальной станции Skylab в эксперименте S 80А14. Были получены изображения полного диска Солнца в отдельных спектральных линиях (спектрогелиограммы) в диапазоне 171/630 А, что позволило составить каталог спектральных линий этого диапазона, уточнить обилие элементов в солнечной короне и определить дифференциальную меру эмиссии для некоторых солнечных структур. Ограничениями этого эксперимента являлись оптическая схема с вогнутой дифракционной решеткой нормального падения и использование фотопленки в качестве детектора. Это привело к относительно низкой дисперсии и переналожению изображений Солнца (размер диска в шкале длин волн составлял ~25 А), а также обусловило недостаточную точность фотометрии зарегистрированного потока излучения. Диапазон 171/210 А был исследован относительно плохо, что было связано с низкой эффективностью инструмента и большим числом спектральных линий в этой области. Эти факторы определили погрешности полученных данных и сложности их интерпретации.
В последние 20 лет наиболее значительный прогресс в солнечной рентгеновской астрономии был связан с развитием новых методов регистрации и анализа экспериментальных данных. В частности, многократное улучшение пространственного разрешения и чувствительности рентгеновских телескопов и спектрометров позволило им приблизиться по характеристикам к лучшим наземным телескопам. Это развитие обусловлено в наибольшей мере прогрессом в разработке рентгеновской оптики высокого разрешения на основе зеркал скользящего падения и многослойных зеркал нормального падения15, детекторов изображений на осноье ПЗС-матриц, а
" Undi Е.. Landini М., А&А,'. 997, v. 327, р. 1230
м Тошеу, R-, XUV results from SKYLAB, In:) ntemationil Conference on X-Rays in Space - Cosmic, Solar, and Auroral X-Rays, Calgary, Alberta, Canada, August 14-21,1974, Proceedings. Volume 1, p. 472-J17 " Зеркальна» рентгеновская от іка, под ред. А.В. Виноградово, Л-д, Машиностроение, 1989
также миниатюрных компьютеров, позволивших существенно увеличить объёмы регистрируемой информации.
Эксперименты по исследованиям солнечной короны в крайней ВУФ области спектра ведутся в Физическом институте РАН в рамках российско-украинской программы КОРОНАС (Комплексные ОРбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца). Особое внимание при проведении этих экспериментов уделяется получению линейчатых спектрогелиометри-ческих данных совместно с мультиспектральными телескопическими наблюдениями.
Первая орбитальная станция КОРОНАС-И была выведена на околоземную орбиту в 1994 г. В состав аппаратуры входил многоканальный комплекс, состоящий из телескопа ТЕРЕК и спектрогелиометра РЕС (РЕнтгеновский Спектрогелиометр) на диапазон 1.8/304 А. Аппаратура обладала широким динамическим диапазоном и возможностями перепрограммирования (в том числе и в полете) режимов наблюдений, что позволило провести детальные исследования отдельных явлений в солнечной короне с целью разделения локальные и глобальных проявлений солнечной активности. В эксперименте были впервые проведены систематические наблюдения Солнца в спектральных диапазонах 132±5 А, 175±5 А и 304±10 А с высоким пространственным разрешением - до 1". Также впервые были получены монохроматические изображения Солнца в диапазонах 8.41-5-8.43 А и 180+209 А.
Дальнейшим развитием этой программы явилось создание в ФИАН спектрогелиометрического и телескопического комплекса СПИРИТ (СПек-трометр Изображающий / Рентген эвскИй Телескоп) для орбитальной станции КОРОНАС-Ф, выведенной на околоземную орбиту в июле 2001 года16. СПИРИТ явился существенным развитием предыдущего комплекса, в первую очередь, за счет использования в его составе широкоапертурной оптики, более чувствительных детекторов с улучшенным пространственным разрешением, более мощного бортового компьютера, позволившего увеличить потоки передаваемой на Землю информации и реализовать режим управления с учетом текущей солнечной активности и состояния аппаратуры.
"Ораевский В.Н., Собелман ИИ., Письма в лстрон.Журнал.2002,Т.28, №6,с.457-467
Совместный анализ изображений, полученных приборами ТЕРЕК, РЕС, СПИРИТ, с изображениями, полученными на космических станциях Yohkoh, SOHO, TRACE и данными наземных наблюдений в оптическом и радио диапазонах обеспечивает ЕОЗМОЖНОСГЬ изучения тонкой структуры корональных образований в широком диапазоне высот — от фотосферы до верхней короны, а длительный период наблюдений — от минимума до максимума солнечной активности - исследовать глобальные изменения солнечных структур на протяжении полного солнечного цикла17'18. Цель работы заключается в решении следующих основных задач:
1. Разработке комплекса космических инструментов и используемых в
нем элементов рентгеновской оптики для реализации метода изобра
жающей спектроскопии в крайнем ВУФ диапазоне спектра регистри
руемого излучения.
2. Проведении долговременных орбитальных наблюдений и накопле-
' нии экспериментального материала для анализа параметров плазмы
солнечной короны.
-
Создании каталога спектральных линий крайнего ВУФ диапазона, наблюдаемых в излучении солнечной короны.
-
Разработке методики измерения параметров плазмы по отношению спектральных линий FeXII.
-
Определении параметров корональной плазмы в различных структурах солнечной атмосферы по данным экспериментов РЕС и СПИРИТ.
Положения, выносимые на защиту:
-
Создание космических инструментов, впервые в отечественной и мировой практике обеспечивших комплексные исследования солнечной атмосферы с высоким спектральным, временным и пространственным разрешением: телескопов Гершеля, орэгтовских спектроге-лиометров и спектрогелиометра с объективней плоской решеткой;
-
Разработка технологии изготовления и методики контроля основных параметров глементов рентгеновской оптики; исследование изобра-
" ВВ. Гречнев н др., в кн.: «Магнитные поля « трёхмерна* структур солнечной атмосферы». Всероссийская конференция, посвященная 9-Э-летию со дня рождения члеи-корр. РАН В.Е. Степанова. Тезисы докладов. Иркутск, 2003, с. 27-28.
" О.И. Бугаенко и др., Изв. Крымской Астрофиз. Обе., 2003, т. 99, стр. 14
жающих и спектральных свойств различных элементов рентгеновской оптики;
-
Результаты наблюдений излучения мягкого рентгеновского и крайнего ВУФ диапазонов в периоды минимума 22-го цикла солнечной активности, максимума и спада 23-го цикла;
-
Каталоги зарегистрированных и отождествлённых линий в областях 176/209 А и 279/335 А;
-
Результаты измерения физических параметров корональной плазмы по данным экспериментов программы КОРО НАС.
Научная новизна,
-
Разработаны спектрогелиометры для регистрации изображений полного Солнца с высоким спектральным, временным и пространственным разрешением в крайнем ВУФ диапазоне.
-
Созданы новые элементы рентгеновской оптики: брэгговские кристаллические сферические зеркала, плоские дифракционные решетки, оптимизированные для работы в крайнем ВУФ диапазоне.
-
Разработаны методики измерения спектральных и изображающих характеристик оптических элементов и приборов.
-
Обнаружены 27 эмиссионных линий, не наблюдавшиеся ранее в спектрах излучения активных областей и вспышек. Предложена идентификация 102 линий, наблюденных в обоих спектральных диапазонах. 18 линий наблюдаются только во вспышках.
-
Оценены параметры плазмы по наблюдениям нескольких активных областей в период минимума активности Солнца на орбитальной станции КОРОНАС-И. Измеренные отношения интенсивностей пар линий, выбранных для диагностики, соответствуют величине электронной концентрации (3/10)-109 см"3.
Научное и практическое значение работы.
-
Получил дальнейшее развитие метод изображающей спектроскопии. Обоснован состав спектрогелиометрических и телескопических комплексов орбитальных станций проекта КОРОНАС, разработаны их оптические схемы и исследованы характеристики.
-
По результатам наблюдений излучения активных областей и вспышек составлен каталог эмиссионных линий в области 176/209А и 279/335 А, содержащий 165 линий по сравнению с —140, зарегистрированными ранее.
-
По данным экспериментов РЕС и СПИРИТ уточнены параметры плазмы различных солнечных структур.
-
Получено более 300 000 квазимонохроматических рентгеновских изображений и спектров излучения Солнца, соответствующих различным фазам 22 и 23 циклов солнечной активности.
-
Разработаны методики контроля и технологии изготовления брэггов-ских фокусирующих зеркал; методики исследования изображающих и спектральных свойств различных элементов рентгеновской оптики: дифракционных решеток, брэгговских зеркал, многослойных рентгеновских зеркал нормального падения.
-
Полученные данные могут служить для уточнения теоретических расчетов атомных констант ионов высокой кратности.
-
Изложенные в диссертации инструментальные и методические решения, разработанные элементы рентгеновской оптики и созданные на их основе приборы способствовали исследованиям в других областях солнечной физики и в спектроскопии плазмы. Дальнейшее развитие этих экспериментов проводится в широкой международной кооперации в рамках проектов исследования Солнца КОРОНАС-ФОТОН и Интергелиозонд.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах отдела Спектроскопии отделения Оптики ФИАН, национальных и международных конференциях, в том числе:
SPIE International Symposium, SPIE's 39th Annual Meeting, San-Diego,
USA, 17-28 July 1994. 2nd Swedish-Russian seminar 'High-resolution VUV Spectroscopy of
Complex Atoms', 1997, Oct. 1-4, Lund, Sweden.
"Solar Variability: From Core To Outer Frontiers", Praha, Czech, 9-14
September, 2002. "Solar Variability as an input to the Earth's Environment", Tatranska
Lomnica, Slovakia, 23-28 June 2003.
34th COSPAR Scientific Assembly - The Second World Space Congress,
Houston; TX, USA, 10-19 October 2002.
Конференции «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной
активности». Н.Новгород, 2-7 июня 2003.
Конференции памяти академика Андрея Борисовича Северного «Солнце и космическая погода», 9-14 июня 2003 года, п. Научный, Украина.
Совещаниях «Рентгеновская оптика», Нижний Новгород, в 1997, 1998,2000,2002-2004 гг.
Научной сессии МИФИ-2О04,19-23 января 2004 года, Москва.
Всероссийской астрономической конференции ВАК-2004, 3-Ю июня 2004, Москва.
LAU Symposium 223,14-19 июня 2004 года, Санкт-Петербург.
Международный симпозиум SEE, 12-14 июля 2004 г., Москва.
35th COSPAR Scientific Assembly, Paris, France, 19-25 июля 2004 года Практической апробацией полученных в диссертации результатов явилось проведение длительных (около 3-х лет) орбитальных наблюдений Солнца, в ходе которых был получен большой объем данных и проведены комплексные наблюдения в кооперации с наземными (БСТ/КрАО, ССРТ/ИСЗФ, РАТАН/ГАО) и космическими (SOHO, TRACE, RHESSI) инструментами. Публикации.
По теме диссертации опубликовано (в 1993-2004 гг.) 21 работа. Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 94 наименований, 3 приложении, содержит 80 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 10 таблиц.
