Введение к работе
з туальность темы диссертации. Ускорение космических лучей (КЛ), высокоэнергич-х заряженных частиц, распространяющихся в межзвёздном или межпланетном про-эанстве, имеет электромаппгпгую природу. На нетепловое происхождение их спектров ізьівает, например, тот факт, что энергии КЛ, наблюдаемых у Земли, лежат в диапазо-от 108 эВ и выше, вплоть до ~1021 эВ, тогда как даже при температурах недр звёзд 109 К максимальная тепловая энергия частиц всего ~105 эВ. Экспериментальные Даніє в различных диапазонах энергий электромагнитного излучения свидетельствуют о шх источниках галактических космических лучей (ГКЛ), как окрестности молодых ;зд, оболочки новых и сверхновых звёзд, рентгеновские двойные системы, магнито-еры пульсаров. Существует также множество экспериментов по прямым измерениям токов солнечных космических лучей (СКЛ), а также КЛ, ускоренных в межпланетном остранстве и на границе гелиосферы (так называемая, аномальная компонента - АК I). Из внегалактических объектов - источников КЛ - можно назвать квазары, ядра ак-вных галактик, протяжённые выбросы из радиогалактик и др.
Среди широкого спектра задач, связанных с определением свойств различных ти-в КЛ, следует выделить проблему формирования их зарядового состава. Действитель-, до недавнего времени ускорение КЛ рассматривалось в приближении пробных час-ц с неизменным в процессе набора энергии зарядом. Такое упрощение не всегда оп-вдано, поскольку сечения процессов ионизации и рекомбинации зависят от энергии на, которая увеличивается со временем. Эффективность же ускорения, в свою очередь, ма зависит от заряда ускоряемой частицы. Таким образом, мы приходим к необходи-істи рассматривать процессы ускорения и изменения зарядов самосогласованно. При-м критерием важности процессов изменения заряда является сопоставимость харак-рных времён этих процессов и времён ускорения. Благодаря совершенствованию тех-[ки измерений и запуску в 1997 году американского космического аппарата АСЕ (Ad-nced Composition Explorer) стало возможным измерять зарядовые распределения раз-[чных элементов, ускоренных в солнечных вспышках. Так, прибор SEPICA (Solar Еп-getic Particles Ionization Composition Analyzer), установленный па борту АСЕ, может зличать зарядовые распределения частиц в пределах одного солнечного события в ин-рвале энергий ~0.24-20 МэВ/нуклон. Во время последнего минимума солнечной актив-
ности в 1996 г на приборах космического аппарата SAMPEX (Solar, Anomalous, and Mag netospheric Particle Explorer) удалось зарегистрировать ионы АК КЛ (N, О, Ne и др.) с за рядами q>+\. При этом согласно наблюдениям средний заряд возрастал с энергией Столь подробные экспериментальные данные дают хорошую возможность для построе ния различных теоретических моделей ускорения и распространения частиц солнечны: космических лучей и аномальной компоненты космических лучей.
Целью настоящей работы является аналитическое исследование задач о стохастн ческом и регулярном ускорении тяжёлых ионов с учётом процессов ионизации и реком бинации, определение возможных областей применения полученных решений. Разра ботка численных моделей диффузионного ускорения многозарядных ионов на фронт ударной волны (УВ) с учётом зарядовых переходов в процессе набора энергии. Исследс вание влияния параметров рассматриваемых задач на получающиеся зарядовые и энер гетические распределения. Вычисление скоростей изменения зарядов тяжёлых ионої ускоренных в постепенных солнечных событиях и в гелиосфере. Получение с помощь» разработанных численных моделей энергетических и зарядовых спектров этих ионої Определение параметров плазмы области ускорения (концентрации, температуры и др, путём сравнения экспериментальных данных и результатов численного моделирования.
Научная новизна работы
-
Впервые получены аналитические решения задачи о стохастическом ускорении мне гозарядных ионов с учетом ионизационных и рекомбинационных процессов; получе но аналитическое решение задачи о диффузионном ускорении ионов на фронте удар ной волны при наличии переходов между тремя зарядовыми состояниями.
-
С использованием метода сеток и метода Монте-Карло разработаны численные мс дели ускорения тяжёлых ионов на фронте параллельной ударной волны с учётом и зарядовых переходов в процессе набора энергии.
-
Найдены зависимости среднего заряда ионов железа, принадлежащих солнечны: космическим лучам, от энергии при различных концентрациях плазмы в области у( корения. Выполнено фитирование энергетических и зарядовых спектров частиц с солнечных событий 6 ноября 1997 года и 20-23 апреля 1998 года, на основании кото
рого были сделаны выводы о параметрах плазмы в области ускорения. На основании последних данных по сечениям ионизации и электронного захвата рассчитаны энергетические спектры ионов кислорода и углерода, принадлежащих аномальной компоненте космических лучей. В частности, показано, что эти элементы не могут быть полностью ионизованы за время их ускорения на ударной волне на границе гелиосферы. Таким образом, появление многозарядных ионов аномальной компоненты связано, скорее всего, с последующей ионизацией уже в процессе их распространения в гелиосфере.
Научное и практическое значение работы Разработанные в диссертации методы и полученные с их помощью результаты яв-іются важными в свете новейших экспериментальных данных с космических аппара-IB АСЕ, SAMPEX, WIND и др. Представленный здесь подход позволяет объяснить на-шэдаемые особешюсти энергетических и зарядовых спектров тяжёлых ионов. На его ;нове рассматривается также проблема диагностики плазмы: определение её парамег-)в в области ускорения по зависимостям средних зарядов тяжёлых ионов космических 'чей от энергии.
Положения диссертационной работы, выносимые на зашиту Результаты аналитического исследования стохастического и регулярного ускорения многозарядных ионов с учётом атомных реакций в процессе ускорения: зависимость среднего заряда ускоренного иона от энергии.
Методика численного расчета энергетических и зарядовых спектров тяжёлых частиц, ускоренных на фронте параллельной ударной волны. Определение параметров плазмы в области ускореїшя (концентрации, температуры и спектрального индекса турбулентности) путём сопоставления расчётных данных с экспериментом. Восстановленные параметры области ускорения для постепенных солнечных событий (6 ноября 1997 и 20-23 апреля 1998), полученные на основании расчёта энергетических и зарядовых спектров ионов Fe (оба события), а также Si, Mg, Ne, О и С (только первое событие).
6 4. Результаты вычисления среднего заряда ионов аномальной компоненты космическі лучей (на примере С и О), ускоренных на границе гелиосферы, с учётом столкнов тельной ионизации и электронного захвата при взаимодействии АК КЛ с локальне межзвёздной средой.
Апробация материалов, входящих в диссертацию Результаты работы были представлены на 26-ой (17 - 25 августа 1999, Солт-Лей Сити, США) Международной конференции по космическим лучам, на Международ» конференции "Структура и динамика солнечной короны" памяти Г.М. Никольского (4 8 октября 1999, Троицк), на III Всероссийской научно-технической конференці "Фундаментальные исследования в технических университетах" (10 - 11 июня 195 Санкт - Петербург), на Итоговом семинаре по физике и астрономии победителей ко курса грантов 1997 года для молодых учёных Санкт - Петербурга (16-17 февраля 195 Санкт - Петербург), на семинаре "Atomic Data for Astrophysics" (17 - 20 декабря 195 СПбГУ), на научных конференциях студентов и аспирантов в рамках 24 - ой (7 - 12 н ября 1995), 27 - ой (7 - 12 декабря 1998) и 28 - ой (6 - 10 декабря 1999) Неделях нау СПбТТУ, а также неоднократно обсуждались на семинарах лаборатории Ядерной кс мической физики ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.
Основные материалы диссертации опубликованы в 7 научных работах, перече которых приведён в конце автореферата.
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общий объём ді сертации составляет 128 страниц текста, в том числе: 3 таблицы, 27 рисунков и спис литературы, насчитывающий 138 наименований.