Нестационарные процессы в солнечных вспышечных петлях

Оглавление
Введение 5
1 Широкополосное микроволновое излучение солнечных вспышек и его диагностический потенциал 29
1.1 Эффекты нестационарной инжекции и кинетики энергичных электронов в магнитной ловушке.......................... 30
1.1.1 Соотношение интенсивностей микроволновою и жесткого рентгеновского излучения вспышек................... 30
1.1.2 Влияние динамики спектра энергичных электронов в радиоисточнике на спектр их гиросинхротронного излучения............................................... 47
1.1.3 Задержки максимумов и уплощение частотного спектра мм-изучения солнечных вспышек....................... 60
1.1.4 Сравнительный анализ динамики спектров микроволнового и жесткого рентгеновского излучения вспышек .................................................... 79
1.2 Влияние анизотропии энергичных электронов на характеристики их гиросинхротронного излучения..................... 89
1.2.1 Влияние анизотропии электронов на интенсивность, поляризацию и спектр гиросинхротронного излучения 91
1.2.2 Особенности излучения в оптически толстой области спектра.............................................121
1.2.3 Приложение 1......................................138
1.3 Выводы к главе 1........................................140
2 Диагностика ускоренных электронов по наблюдениям микроволнового излучения с высоким пространственным разрешением 143
2.1 Распределение интенсивности микроволнового излучения
вдоль солнечных всиышечных петель........................144
2.1.1 Анализ данных наблюдений..........................145
2
2.1.2 Сравнение с предсказаниями модельных расчетов . 154
2.1.3 Распределение высокоэнергичных электронов вдоль петли....................................................155
2.2 Динамика распределения интенсивности излучения вдоль всиышечных петель............................................161
2.2.1 Эволюция распределения радиояркости во время всплеска ......................................................161
2.2.2 Динамика пространственного распределения энергичных электронов........................................177
2.2.3 Ограничения на модели ускорения, инжекции и кинетики ускоренных электронов во вспышечных петлях 189
2.3 Спектральные свойства микроволнового излучения всиышечных петель................................................191
2.3.1 Распределение наклона частотного спектра излучения вдоль всиышечных петель..............................192
2.3.2 Спектральная динамика микроволнового излучения
в разных частях петель............................194
2.3.3 Обсуждение........................................195
2.4 Выводы к главе 2........................................199
3 Квазипериодические пульсации микроволнового излучения вспышечных петель 201
3.1 Наблюдаемые характеристики источника пульсаций .... 202
3.1.1 Пульсации в интегральном излучении................202
3.1.2 Пространственная структура радио- и рентгеновских источников...............................................207
3.1.3 Спектральные и фазовые особенности пульсаций в разных частях вснышечной петли...........................209
3.2 Диагностика параметров плазмы во вснышечной петле . . 212
3.3 Модуляция микроволнового излучения МГД колебаниями вснышечной петли.............................................221
3.4 Моды МГД-колебаний корональных петель...................223
3.5 Расчет дисперсионных кривых для модельной петли .... 226
3.6 Глобальная мода радиальных БМЗ-колебаний корональных петель...................................................231
3.7 Выводы к главе 3........................................234
4 Диагностика вспышечных петель по их излучению с тонкой временной и спектральной структурой 237
3
4.1 Радиовсилески с тонкой временной и спектральной структурой и проблема фрагментации всиышечного энерговыделения ......................................................237
4.2 Квазилинейная модель генерации узкополосных микроволновых всплесков типа „блипы“................................244
4.2.1 Описание модели................................. 245
4.2.2 Формирование пучкового распределения энергичных электронов .............................................247
4.2.3 Параметры области плазменной турбулентности . . 251
4.2.4 Характеристики электромагнитного излучения . . . 254
4.2.5 Возможности для диагностики.......................256
4.3 Диагностика всиышечной плазмы но миллисекундным пульсациям радиоизлучения.......................................259
4.3.1 Наблюдения миллисекундных пульсаций...............260
4.3.2 Анализ периодичности и временных задержек . . . 265
4.3.3 Механизм радиоизлучения и диагностика плазмы источника...............................................275
4.3.4 Выводы и результаты диагностики...................290
4.4 Наблюдения субсекундных всплесков на радиоинтерферо-метре НИРФИ.................................................292
4.4.1 Позиционные измерения динамики источников субсекундных всплесков.....................................293
4.4.2 Форма временного профиля сиайкоиодобных всплесков ....................................................305
4.4.3 Возможности и перспективы РСДБ-наблюдений солнечных спайкоподобных событий...........................309
4.5 Выводы к главе 4.........................................314
Заключение 320
Литература 326
4
Введение
В центре внимания диссертационной работы находится круг вопросов, связанных с самым мощным проявлением солнечной активности -солнечными вспышками. Конкретный объект исследования в диссертации - всиышечные петли, являющиеся основным и наиболее загадочным структурным элементом солнечной вспышки. Большинство нестационарных процессов и эффектов в этих горячих и плотных магнитных трубках являются общими для астрофизики, физики плазмы, физики солнечно-земных связей. Широко известно, что вспышки связаны с потоками жестких электромагнитных излучений, потоками солнечных космических лучей и выбросами корональной массы, которые могут вызывать нарушения в работе космических аппаратов, навигационных и коммуникационных систем, электросетей. Поэтому исследование вспы-шечных петель имеет большое фундаментальное и прикладное значение.
Несмотря на значительные усилия, прилагаемые исследователями, до сих пор нерешенными проблемами вспышечных петель остаются проблема нестационарного взрывного энерговыделения и связанные с ней проблемы ускорения заряженных частиц и генерации различных МГД-возмущений.
Одним из самых плодотворных методов изучения этих нестационарных процессов является исследование их радиоотклика. Исследования радиоизлучения вспышек позволяют получать важные ограничения на теоретические модели процессов ускорения частиц, энерговыделения и формирования МГД-волн во вспышечных петлях и, тем самым, способствовать решению указанных выше проблем.
Всплески солнечного радиоизлучения различных типов давно используются для диагностики физических условий в солнечных вспышках. В частности, данные о спектральных параметрах широкополосных микроволновых всплесков, генерируемых гиросинхротронным механизмом, широко применяются для оценки числа и наклона энергетического спектра среднерелятивистских электронов, распространяющихся во вспы-шечной петле, а также для оценки магнитного поля вспышечной петли (см. обзоры [1, 2]). Однако, до последнего времени задача решалась в предположении стационарности, однородности и изотропности распределения электронов в радиоисточнике. При постановке задачи совершенно не учитывались такие важные факторы (естественные для импульсного энерговыделения во время вспышки) как нестационарность инжекции
5
и кинетики ускоренных электронов во вспышечной петле. Не принималась во внимание возможная анизотропия питч-углового распределения ускоренных и захваченных в магнитной ловушке энергичных электронов. Соответственно, при анализе данных наблюдений, динамика интенсивности и частотного спектра микроволнового излучения вспышек либо не рассматривалась, либо никак не связывалась с динамикой энергетического и питч-углового распределения электронов. Тем самым, с одной стороны, допускалась вероятность существенных ошибок при диагностике параметров ускоренных электронов, а с другой стороны, упускались возможности более корректного определения динамических характеристик процессов ускорения и кинетики электронов во вспышечной петле. С появлением радиоинтерферометров с высоким пространственным разрешением, в дополнение к перечисленным, очень актуальной стала задача определения пространственного распределения радиояркости, имеющая непосредственное отношение к проблеме локализации области ускорения и пространственного распределения электронов во вспышечной петле.
Другим видом вспышечного радиоизлучения с очень высоким диагностическим потенциалом являются радиовсилески с тонкой временной и спектральной структурой, которые обычно ассоциируются с когерентными механизмами излучения (плазменным или циклотронным) [3, 4, 5]. Особенности этих всплесков, прежде всего узкополосных суб-секундных всплесков типа спайки, блипы и миллисекундные пульсации, стимулировали большой интерес к проблеме временной и пространственной фрагментации вспышечного энерговыделения [6, 7]. Спектральные и временные характеристики этих типов всплесков указывают на очень малые размеры радиоисточников (гораздо меньше размеров вспышечной петли). Их дальнейшие детальные исследования, как теоретические, так и экспериментальные, включая наблюдения с высоким пространственным разрешением, могут дать важные сведения о параметрах плазмы, магнитного поля и энергичных частиц вблизи областей „элементарного“ энерговыделения, а также о пространственной динамике этих мелкомасштабных областей во вспышечной петле.
Наряду с проблемами энерговыделения и ускорения, большой интерес исследователей вызывает магнитная гидродинамика корональных магнитных нетель. К настоящему времени разработана детальная теория различных мод МГД осцилляций и волн в плотной трубке магнитного ноля (8, 9]. Доминирование той или иной МГД-моды, возбуждаемой в петле, зависит от конкретных условий (характер источника возмущения,
б
плотность плазмы, напряженность магнитного ноля, пространственные параметры петли). Таким образом, наблюдения радиоотклика на МГД колебания вспышечной петли открывают возможности для независимой диагностики этих условий. О квазииериодических пульсациях радиоизлучения вспышек в м-, дм- и см-диапазонах волн но наблюдениям на радиотелескопах без пространственного разрешения сообщалось многократно (см. обзор [10]). Однако, для выявления конкретной моды МГД колебаний, приводящих к модуляции радиоизлучения в том или ином событии, нужна информация о размерах пульсирующей арки, о распределении амплитуды и фазы этих пульсаций по петле, а также об оптической толщине в разных частях источника. До последнего времени такая информация отсутствовала. Получить ее можно только при проведении наблюдений с высоким пространственным разрешением.
Настоящая диссертационная работа посвящена детальному исследованию обозначенных выше актуальных проблем на основе анализа данных, полученных на инструментах, имеющих лучшее в настоящее время пространственное, временное и спектральное разрешение, а также на основе теоретического моделирования и радиодиагностики процессов во всиышечных петлях. Работа выполнялась в рамках планов НИР ФГНУ „НИРФИ“, а также в рамках серии проектов, поддержанных грантами РФФИ, ESO и INTAS, что подтверждает актуальность выбранной темы.
Целью диссертационной работы является исследование нестационарных процессов в солнечных вспышечных петлях (энерговыделение, ускорение и кинетика электронов, МГД-колебания) методами радиоастрономической диагностики.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
- разработка теории нестационарного широкополосного микроволнового излучения всиышечных петель, учитывающей нестационарность инжек-ции и кинетики нетеиловых электронов, а также анизотропию их распределения но питч-углам и неоднородность распределения вдоль петли;
- исследование пространственных характеристик широкополосного микроволнового излучения всиышечных петель и получение на этой основе новых экспериментальных ограничений на теоретические модели ускорения и кинетики электронов;
- исследование особенностей пространственного распределения характеристик квазииериодических пульсаций микроволнового излучения всиышечных петель и получение ограничений, позволяющих идентифицировать наблюдаемые спектральные компоненты пульсаций с конкретными
7
модами МГД-колебаний петли;
- разработка методов диагностики мелкомасштабных структур во всны-шечных петлях на основе анализа узкополосных субсекундных всплесков но наблюдениям с высоким спектральным, временным и пространственным разрешением.
Методы исследований. Особенностью методологического подхода в диссертационной работе является акцент на теоретическом и экспериментальном анализе а) динамики микроволнового излучения и б) пространственной структуры микроволновых вспышечных петель. Постановка и решение таких задач стали возможны только в последние годы благодаря значительному росту мощности современных компьютеров, позволивших решать сложные нестационарные задачи численными методами, а также обрабатывать большие массивы данных наблюдений современных солнечных инструментов с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением. Проведенный теоретический анализ и комплексное исследование данных уникальных наблюдений радиогелиографа Нобеяма (угловое разрешение 5" и 10" на частотах 34 и 17 ГГц, временное разрешение 0.1 с), интерферометра НИРФИ (точность позиционных измерений - до 1-2", временное разрешение лучше 1 мс), микроволнового спектрометра-поляриметра Пекинской обсерватории (спектральное разрешение 10 МГц, временное разрешение 8 мс) позволили выйти на качественно новый уровень радиоастрономической диагностики нестационарных процессов во вспышечных петлях и получить принципиально новые результаты.
Научную новизну диссертационной работы характеризуют следующие результаты:
1. Развита теория основной компоненты радиоизлучения вспышечных петель - континуальных микроволновых всплесков, генерируемых гиросинхротронным механизмом излучения. Впервые показано большое влияние нестационарности инжекции и кинетики среднерелятивистских электронов, а также анизотропии их питч-углового распределения в магнитной ловушке на интенсивность, динамику и частотный спектр этих всплесков.
2. Обнаружена новая закономерность спектральной эволюции широкополосных микроволновых всплесков излучения, заключающаяся в постепенном уплощении частотного спектра в оптически тонкой области во время фаз роста и спада всплеска. Показано, что это свидетельствует
8
о постепенном уплощении спектра среднерелятивистских электронов во всиышечной петле.
3. Обнаружены новые факты и закономерности радиоизлучения всиьь шечных петель, полученные на основе наблюдений с высоким пространственным разрешением на радиогелиографе Нобеяма. В частности,
а) установлено, что ник яркости в вершине вспышечной петли может наблюдаться на частотах, где источник является оптически тонким; б) обнаружены различия в наклоне и эволюции микроволнового спектра для разных участков вспышечной петли: более крутой спектр вблизи оснований по сравнению с вершиной (увеличение спектрального индекса на
0.5-1.0) и более быстрое (в 2-3 раза) уменьшение наклона спектра на фазе спада всплеска. Проведенное теоретическое моделирование позволило сделать вывод, что обнаруженные свойства распределений яркости и спектра связаны со значительным накоплением среднерелятивистских электронов в верхней части всиышечной петли, а также с питч-угловой анизотропией электронов поперек магнитного поля петли. Показано, что эти свойства накладывают новые важные ограничения на модели ускорения и кинетики электронов в солнечных вспышках.
4. Впервые изучены соотношения амплитуд и фаз колебаний яркости микроволнового излучения в различных частях вспышечной петли. Теоретическое моделирование с учетом данных радиодиагностики позволило идентифицировать конкретные моды МГД колебаний модельной петли, ответственные за модуляцию наблюдаемого излучения.
5. Предложена и разработана квазилинейная модель генерации узкополосных дм-всплесков типа „блипы“. В рамках этой модели разработан метод диагностики параметров плазмы вблизи области энерговыделения.
6. Обнаружено существование значительной задержки (около 20 мс) между право- и левополяризованными компонентами узкополосных (Д/// < 0.03) микроволновых всплесков с периодическими миллисекундными (Т « 40 мс) пульсациями. Выявлена сильная частотная зависимость этой задержки. Установлено, что ее характер согласуется с ожидаемыми свойствами групповой задержки радиоизлучения, генерированного нелинейным плазменным механизмом на второй гармонике верхней гибридной частоты.
7. По наблюдениям на двухэлементном (2 РТ-7, / = 540 МГц) интерферометре НИРФИ с базой ~ 400 м с миллисекундным (до 0.256 мс) временным разрешением впервые измерено видимое перемещение центра яркости источника (со скоростью ~ 30 тыс. км/с) в ходе отдельных
9
субсекундных дм-всплесков.
Научное и практическое значение работы.
Развитая в работе теория нестационарного микроволнового излучения всиышечных петель и экспериментально установленные закономерности пространственного распределения параметров излучения являются новым крупным научным достижением в исследованиях солнечных вспышек. Проведенные исследования расширяют представления о физике нестационарных процессов, происходящих в солнечных вспышечных петлях, а также о методах их радиодиагностики.
В частности, учет нестационарности кинетики ускоренных электронов во вспышечных петлях показал, что для объяснения особенностей связи микроволнового и жесткого рентгеновского излучений нет необходимости привлекать гипотезу о двухступенчатом механизме ускорения электронов до релятивистских энергий. Анализ распределений радиояркости вдоль одиночных всиышечных петель позволил установить неоднородность пространственного распределения среднерелятивистских электронов и анизотропию их распределения по питч-углам, определить локализацию области ускорения. Получены важные наблюдательные ограничения на теоретические модели квазииериодических всиышечных пульсаций, связанных с различными модами МГД-колебаний вспышечной петли. Радиоинтерферометрические наблюдения с мс-временным разрешением микроволновых всплесков с тонкой временной структурой впервые позволили получить данные о пространственной динамике источников этих всплесков. Совокупность этих результатов имеет фундаментальное теоретическое значение для физики солнечных вспышек.
Развитые теоретические модели широкополосных микроволновых всплесков и всплесков с тонкой временной и спектральной структурой открывают новые возможности дистанционной диагностики параметров плазмы и ускоренных частиц в солнечных вспышечных петлях. Учет этих параметров может быть полезен также и при прогнозировании геоэф-фективных последствий солнечных вспышек.
Развитые в диссертации методологические подходы, постановка конкретных задач, направленных на решение фундаментальных проблем вспышечного энерговыделения, позволили эффективно использовать уникальный наблюдательный материал, полученный на ведущих современных солнечных инструментах, таких как радиогелиограф Нобеяма, радиоинтерферометр НИРФИ, китайский радиоспектрометр-поляриметр. Они могут быть также использованы как основа для разработки научной
10
проблематики и конкретных исследовательских задач для планируемых будущих солнечных радиотелескопов - многоволнового Радиогелиографа Бадары (Россия), спектрометра-радиоинтерферометра РАЗИ (США), Радиосиектрогелиографа СвЯН (Китай).
Результаты, полученные в диссертации, широко используются и цитируются российскими и зарубежными авторами в научных статьях, обзорах и монографиях, посвященных изучению солнечных вспышек. Они могут быть использованы в НИРФИ, ИПФ РАН, ГАО РАН, ИСЗФ СО РАН, ФТИ РАН, ИЗМИРАН, НИИЯФ МГУ, ФИ РАН и др.
На защиту выносятся:
1. Результаты теоретического исследования влияния нестационарно-сти инжекции и кинетики нетепловых электронов в магнитной ловушке на параметры частотного спектра гиросинхротронного излучения и на соотношения между энергетическими, временными и спектральными характеристиками микроволнового и жесткого рентгеновского излучений.
2. Результаты теоретического исследования влияния анизотропии питч-углового распределения нетепловых среднерелятивистских электронов на интенсивность, частотный спектр и поляризацию гиросинхротронного излучения.
3. Результаты сравнительного анализа динамики интенсивностей и спектральных индексов наблюдаемых микроволнового и жесткого рентгеновского излучений, приведшие к доказательству важной роли эффектов захвата и накопления среднерелятивистских электронов во вспышеч-ных петлях.
4. Закономерности распределения интенсивности и наклона частотного спектра микроволнового излучения вдоль вспышечных петель, обнаруженные при анализе данных наблюдений с высоким пространственным разрешением на радиогелиографе Нобеяма. Вывод о значительном повышении концентрации среднерелятивистских электронов в верхней части всиышечной петли и о питч-угловой анизотропии среднерелятивистских электронов поперек магнитного поля петли.
5. Наблюдаемые соотношения амплитуд и фаз отдельных спектральных компонент колебаний яркости микроволнового излучения в различных частях всиышечной петли. Результаты идентификации спектральных компонент наблюдаемых пульсаций с конкретными модами МГД колебаний модельной петли.
6. Квазилинейная модель плазменного механизма генерации узкополосных дециметровых всплесков типа „блипы“. Метод диагностики па-
11
раметров плазмы вблизи области энерговыделения но наблюдаемым характеристикам „блипов“.
7. Обнаружение временной задержки между право- и левополяризованными компонентами в микроволновых всплесках с периодическими миллисекундными пульсациями. Доказательство ее сильной частотной зависимости. Метод и результаты диагностики свойств всиышечной плазмы но характеристикам миллисекундных пульсаций.
8. Результаты наблюдений на интерферометре НИРФИ с миллисекундным временным разрешением, включающие: а) обнаружение видимого перемещения центра яркости источника (со скоростью ~ 30 тыс. км/с) в ходе отдельных субсекундных дм-всплесков; б) обнаружение линейного характера спада логарифмической производной от потока на значительной части временного профиля сиайкоподобных всплесков, свидетельствующее о существенной роли квазилинейной релаксации при их генерации.
Структура и содержание работы.
Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Общий объем работы составляет 345 страниц, включая 101 рисунок, 7 таблиц и список цитируемой литературы из 389 библиографических наименований.
Во Введении показаны актуальность и цель данной работы, сформулированы задачи исследований, кратко изложено содержание работы, приведены основные результаты, представленные к защите, показан личный вклад автора, отмечены новизна, научная и практическая значимость положений диссертации.
Глава 1 посвящена исследованию динамики наблюдаемых характеристик континуальных микроволновых всплесков и разработке теории этих всплесков, учитывающей эффекты динамики энергичных электронов в магнитной ловушке и влияние анизотропии иитч-углового распределения электронов на характеристики их гиросинхротронного излучения.
Континуальные микроволновые всплески, генерируемые гиросинхро-тронным »механизмом среднерелятивистскими электронами, ускоренными во время солнечных вспышек, являются основной компонентой радиоизлучения вспышечных петель. Изучению этих радиовсилесков посвящено большое количество работ - как экспериментальных так и теорети-
12
ческих (см. обзоры [1, 2]). Интерес к ним вызван прежде всего тем, что это излучение несет важную информацию о процессах ускорения частиц до релятивистских энергий. Как известно, проблема ускорения является фундаментальной проблемой не только физики солнечных вспышек, но и всей космической физики. Широко известно также прикладное значение наблюдений континуальных микроволновых всплесков. Различные параметры этого излучения используются для диагностики и краткосрочного прогноза характеристик потоков энергичных электронов и протонов солнечных космических лучей (СКЛ) [11, 12, 15,19]. Умение определить характеристики ускоренных частиц, физические условия в области вспышки и условия выхода частиц в межпланетное пространство [13, 16, 20] является ключевым для прогноза параметров СКЛ и, следовательно, для прогноза различных геоэффективных последствий вспышек.
Для диагностики физических условий в области вспышки принципиальное значение имеет соотношение между частотным спектром гиросин-хротронного излучения и энергетическим спектром излучающих электронов. Обычно полагают, что спектр электронов в ловушке М(Е) ос Е полностью соответствует спектру мощности инжекции, восстанавливаемому но спектру жесткого рентгеновского (НХЯ-) излучения [57, 58]. Деформацию энергетического спектра электронов, обусловленную их взаимодействием с плазмой всиышечных петель, при этом не учитывают. Не учитывают также возникающую в магнитных ловушках иитч-угловую анизотропию ускоренных электронов. В разделах 1.1 и 1.2 и в статьях автора [24, 27, 30, 49, 50, 34, 41, 42] показано, что перечисленные эффекты, наряду с эффектами захвата и накопления среднерелятивистских электронов, очень существенны и их неучет может привести к значительным ошибкам при диагностике.
Основное внимание в разделе 1.1 уделено разработке динамической модели континуальных микроволновых всплесков, генерируемых гиро-синхротронным механизмом излучения. Модель учитывает: нестацио-нарность и конечную длительность инжекции ускоренных электронов в магнитную ловушку; кулоновские столкновения, приводящие к потерям энергии и высыпанию электронов в конус потерь; эффекты захвата и накопления среднерелятивистских электронов в ловушке. В результате проведенного исследования показано большое влияние нестационарности инжекции, захвата и накопления среднерелятивистских электронов в ловушке на параметры частотного спектра гиросинхротронного излучения и на соотношения между энергетическими, временными и сиектральны-
13
ми характеристиками микроволновых и жестких рентгеновских (HXR-) всплесков. Сделаны предсказания, подтвердившиеся в дальнейшем при анализе наблюдаемой динамики частотного и энергетического спектров указанных излучений.
В рамках этой модели: а) объяснена значительная (на 2-3 порядка) разница отношений максимальных интенсивностей микроволновых и HXR-всплесков в коротких импульсных и длительных плавных ("gradual") всплесках; б) объяснено явление задержек максимумов микроволновых всплесков относительно максимумов HXR-всплесков; в) предсказано и подтверждено анализом данных наблюдений, что отношение интенсивностей микроволновых и HXR-всплесков, а также задержки их максимумов увеличиваются монотонно с ростом длительности всплесков, а характер этих зависимостей остаётся неизменным при переходе от импульсных к длительным всплескам. Таким образом установлено, что указанная разница отношений интенсивностей и задержек обусловлена прежде всего различием в длительности процесса ускорения (инжекции) и времени жизни энергичных электронов в источнике микроволнового излучения. Учет нестационарности кинетики ускоренных электронов во вспышеч-ных петлях показал, что для объяснения особенностей связи микроволнового и жесткого рентгеновского излучений нет необходимости привлекать гипотезу о двухступенчатом механизме ускорения электронов до релятивистских энергий.
Разработаная модель предсказала также динамическое уплощение частотного спектра и задержки максимумов микроволновых всплесков на более высоких частотах в оптически тонкой области спектра. Последующий анализ данных наблюдений о см-мм-радиоизлучении ряда мощных вспышек позволил обнаружить эти задержки и уплощение частотного спектра во время всплеска излучения. Показано, что обнаруженные эффекты свидетельствуют о постепенном уплощении спектра среднерелятивистских электронов во всиышечной петле. В дальнейшем эти результаты были подтверждены в работах других авторов [59, 60, 61].
Новые данные о поведении спектра электронов в разных диапазонах энергий получены при сравнительном анализе спектров микроволнового и HXR-излучений вспышек по данным спектрометров обсерватории Owens Valley и космического аппарата BATSE. Нами установлено, что после максимума интенсивности большинства импульсных всплесков спектральные индексы широкополосного микроволнового и соответствующего HXR-излучения изменяются в противофазе: микроволновый
14
спектр уплощается, а рентгеновский, наоборот, становится более крутым. Обнаруженный факт свидетельствует о противофазном изменении наклона энергетического спектра излучающих электронов в областях низких (Е < 100 кэВ) и высоких (Е > 200 кэВ) энергий после максимума мощности источника частиц. Показано, что в целом он хорошо согласуется с развитой в диссертации динамической моделью континуальных микроволновых всплесков.
Большинство опубликованных статей, касающихся оптически тонкого режима синхротронного излучения, посвящено исследованию изотропного распределения быстрых электронов. Есть лишь несколько исключений, в которых рассматривались слабо-анизотропные питч-угловые распределения [62, 63, 64]. Авторы этих статей не обнаружили каких-либо значимых эффектов, связанных с влиянием иитч-угловой анизотропии на спектр и поляризацию излучения.
Вместе с тем, очевидно, что это влияние должно быть значительным в условиях солнечных всиышечных петель, где основной поток излучения генерируется гиросинхротронным механизмом электронами среднерелятивистских энергий. В этом диапазоне направленность излучения отдельного электрона сильно изменяется при переходе от субрелятивист-ских к ультрарелятивистским энергиям: А ~ тс?/Е, где т и Е - масса и энергия электрона, с - скорость света. То есть, угол раскрыва конуса излучения уменьшается от величин порядка 1 до # « 1. Так как вклад в гиросинхротронное излучение на разных частотах зависит от энергии электронов, то следует ожидать значительного влияния как продольной так и поперечной анизотропии на частотный спектр гиросинхротронного излучения.
К настоящему времени появилось достаточно доказательств наличия анизотропных питч-угловых распределений энергичных электронов в солнечных вспышках. Отмеченный в разделе 1.1 захват частиц в условиях вспышечных петель уже сам по себе предполагает', что электроны отсутствуют внутри конуса потерь и, следовательно, они распределены анизотропно (перпендикулярно силовым линиям магнитного ноля). Еще более сильным доказательством поперечной анизотропии является обнаружение пиков микроволновой яркости оптически тонкого гиросинхротронного излучения в вершинах петель [65, 68], которые были интерпретированы как следствие сильной концентрации среднерелятивистских электронов, захваченных и накопленных в вершине вспышечной петли [35] (см. раздел 2).
15
В разделе 1.2 диссертации развита теория гиросинхротронного излучения, включающая в себя анализ влияния анизотропии питч-углового распределения генерирующих его нетепловых среднерелятивистских электронов на интенсивность, частотный спектр и поляризацию излучения. Рассмотрение проведено для разных углов распространения волн к направлению фонового магнитного поля и для широкого диапазона плотностей плазмы в радиоисточнике. Обсуждены приложения обнаруженных эффектов к интерпретации ряда наблюдаемых свойств микроволнового излучения всиышечных петель.
Показано, что по сравнению с изотропным случаем, интенсивность излучения в оптически тонкой области частотного спектра может изменяться в десятки раз, а спектральный индекс - на несколько единиц, в зависимости от типа анизотропии. Эффект обусловлен зависимостью от энергии ширины диаграммы направленности гиросинхротронного излучения отдельного электрона. Круговая степень поляризации этого излучения (необыкновенная мода) увеличивается для распределений типа конуса потерь и уменьшается для пучковых распределений. Для пучковых распределений степень поляризации может соответствовать обыкновенной моде даже в оптически тонкой области спектра. Рассмотрены приложения результатов модельных расчетов к конкретным условиям, реализуемым во вспышечных магнитных петлях.
Установлено, что в оптически толстой области спектра спектральные пики гармонической структуры гиросинхротронного излучения становятся существенно более выраженными, чем в случае изотропного распределения излучающих электронов. Обнаруженный эффект полностью обусловливается уменьшением коэффициента самопоглощения, связанного с анизотропией. Поэтому он принципиапьно отличается от циклотронного мазерного излучения, обусловленного усилением воли при наличии отрицательного поглощения в плазме.
Глава 2 посвящена детальному анализу наблюдаемого пространственного распределения яркости и спектра микроволнового излучения, а также анализу их динамики в различных участках вснышечной петли на основе наблюдений с высоким пространственным и временным разрешением, выполненных на радиогелиографе Нобеяма. Приведены также результаты теоретического моделирования пространственного распределения среднерелятивистских электронов и их гиросинхротронного излучения. Результаты этих исследований позволили обнаружить новые пространственные, спектральные и временные свойства микроволнового
16
излучения вспышечных петель и получить количественные физические ограничения на модели ускорения/инжекции и кинетики частиц в солнечных вспышках [35, 37, 51, 52, 53, 48, 65, 66, 69, 71, 75, 54, 56, 74, 72, 73].
Анализ наблюдений VLA [76, 77] впервые выявил две разновидности пространственного распределения микроволнового излучения: 1) с пиком яркости в вершине и 2) с пиками яркости вблизи оснований всны-шечной петли. Пики яркости вблизи оснований были объяснены сильной зависимостью интенсивности оптически тонкого гиросинхротронно-го излучения от напряженности магнитного ноля, которое в основаниях петли больше, чем в вершине [78]. Пик яркости в вершине петли был интерпретирован в предположении большой оптической толщины (т > 1) гиросинхротронного источника [79]. Необходимо, однако, отметить, что наблюдаемые распределения были получены на одной частоте и поэтому не позволяли уверенно судить об оптической толщине источника. Введение в строй радиогелиографа Нобеяма позволило получать изображения вспышек на двух высоких частотах -17 и 34 ГГц с угловым разрешением 10" и 5", соответственно. Данные частоты заметно выше обычно наблюдаемой частоты максимума в спектре fpeak = 5 — 10 ГГц [80], на которой оптическая толщина гиросинхротронного излучения г « 1. Это дало возможность исследовать распределение яркости, имея информацию о наклоне частотного спектра и, следовательно, об оптической толщине в разных частях вспышечной петли.
В разделе 2.1 проведен анализ распределения радиояркости вдоль протяженных вспышечных петель но данным наблюдений радиогелиографа в Нобеяме. Рассмотрены всиышечные события, размеры микроволновых источников в которых существенно превышали ширину диаграммы направленности гелиографа. Эти события характеризовались наличием отдельного протяженного источника на частотах 17 и 34 ГГц и хорошо различимой петлеобразной структурой на обеих частотах.
Основной результат анализа состоит в том, что в ряде событий, включающем лимбовые вспышки, максимум распределения радиояркости в течение главного пика всплеска находится вблизи вершины петлеобразной структуры на обеих частотах. Впервые установлено, что пик яркости в вершине вспышечной петли может наблюдаться на частотах, где источник является оптически тонким. Этот результат явно противоречит существующим теоретическим моделям микроволнового излучения [81, 78, 2|, предполагающим однородное распределение нетепловых электронов вдоль магнитной петли. Согласно этим предсказаниям максиму-
17
мы радиояркости должны находиться ближе к основаниям вспышечной петли, а минимумы - около вершины петли для частот, на которых протяженный источник является оптически тонким. Проведенное в работе теоретическое моделирование позволило сделать вывод, что такое распределение яркости обусловлено значительным повышением концентрации среднерелятивистских электронов в верхней части вспышечной петли. Показано, что пик концентрации связан с питч-угловой анизотропией электронов поперек магнитного поля петли.
В разделе 2.2 исследована динамика распределения радиояркости во вспышечной петле. Впервые показано, что во время отдельных всплесков микроволнового континуального (гиросинхротронного) излучения происходит существенное изменение пространственного распределения интенсивности оптически тонкого излучения вдоль петли. А именно, от фазы роста к фазе спада всплеска максимумы радиояркости перемещаются от оснований нетель к их вершине. Обнаружено, что максимум потока излучения из вершины петли запаздывает относительно максимума потока из оснований (на несколько секунд), а характерное время спада после максимума интенсивности в вершине петли больше, чем в основаниях. Обнаружены различия временных профилей потоков на разных частотах (17 и 34 ГГц): запаздывание ника излучения и увеличение характерного времени спада на частоте 34 ГГц по сравнению с 17 ГГц для источника в вершине и отсутствие подобных сильных различий для источников в основаниях. В целом эти результаты явно указывают на большую роль захвата и накопления среднерелятивистских электронов в вершине вспышечных петель, что приводит к существенному пространственному перераспределению плотности этих электронов в ходе всплеска (с ее относительным увеличением в вершине).
В этом же разделе проведено численное моделирование пространственного распределения электронов вдоль магнитной петли и его временной эволюции. Для этого использовано уравнение Фоккера-Планка, учитывающее отражение энергичных электронов от магнитных пробок, кулоновские столкновения с фоновой плазмой, а также нестационарность инжекции и различия в локализации области ускорения/инжекции.
В результате показано, что максимум концентрации электронов в центре петли, требуемый для объяснения наблюдаемого пика радиояркости в вершине, может быть получен, если область ускорения/инжекции локализована в вершине вспышечной петли. Показано также, что в магнитной петле формируется значительная иитч-угловая анизотропия ти-
18
на конуса потерь. При этом инжектируемое иитч-угловое распределение может быть изотропным или анизотропным поперек поля. Такого типа инжекция является следствием некоторых моделей ускорения частиц во вспышках (например, обсуждаемых в работах Сомова и Косуги [82), Флетчер [83), Петросяна и др. [84]). Инжекция ускоренных электронов вдоль ноля, предполагаемая в других моделях ускорения ((см. обзоры Миллера [85) и Ашвандена [86])) не может привести к пику яркости микроволнового излучения в вершине петли на главной фазе инжекции.
С другой стороны, расчеты показывают, что если процесс ускоре-ния/инжекции излучающих электронов происходит вблизи одного из оснований петли, то максимумы радиояркости также должны наблюдаться вблизи оснований, независимо от питч-углового распределения инжектируемых электронов. Локализация области ускорения вблизи одного из оснований легко объясняет случаи, когда наблюдаемые микроволновые вспышечные петли имеют пики яркости вблизи оснований (как, например, в событиях описанных в работах Ханаоки и Нишио [87, 88)).
Важным результатом моделирования является также установление факта перераспределения плотности энергичных электронов вдоль петли в ходе импульсной инжекции. Перераспределение происходит из-за кулоновского рассеяния электронов по питч-углам на частицах фоновой плазмы. На фазе спада инжекции пик плотности электронов смещается из оснований в центр петли. Формируется питч-угловая анизотропия типа конуса потерь. Эти изменения должны приводить к соответствующему перераспределению радиояркости.
Таким образом, режимы инжекции и параметры магнитной ловушки сильно сказываются на кинетике энергичных электронов, которая, в свою очередь, определяет характер пространственного распределения микроволнового излучения солнечных вспышек.
До последнего времени наклон спектра и спектральная эволюция оптически тонкого микроволнового излучения вспышек изучались по данным наблюдений без пространственного разрешения. По этим данным можно было получить только спектральные характеристики, усредненные но всему источнику. Как следствие, соответствующие физические модели источника были довольно упрощенными. Они рассматривали эволюцию энергетического спектра электронов, проинтегрированного но всей магнитной петле, не принимая во внимание возможную неоднородность магнитного ноля и плотности плазмы вдоль петли (см. раздел 1.1). Очевидно, что исследование характеристик микроволнового спектра в раз-
19
личных частях вснышечной петли на основе наблюдений с хорошим пространственным разрешением может обеспечить нас новой, дополнительной информацией, полезной для диагностики всиышечных петель. Решению этой задачи посвящен раздел 2.3.
Поскольку радиогелиограф Нобеяма ведет наблюдения на двух высоких чатотах 17 и 34 ГГц, это дает уникальную возможность исследовать пространственное распределение наклона частотного спектра вдоль вспышечных петель. В результате проведенного в диссертации анализа: а) обнаружено, что в основаниях частотный спектр более крутой, чем в вершине (отличие в спектральном индексе составляет 0.5-1.0); 6) установлено, что в вершине, „ногах“ и основаниях вспышечной петли часто наблюдается динамическоое уплощение частотного спектра на фазе роста и спада всплеска, аналогично обнаруженному ранее в наблюдениях без пространственного разрешения. Обнаружено, что в основаниях петли уплощение спектра более быстрое (в 2-3 раза), чем в вершине.
В заключительной части раздела 2.3 обсуждены физические причины обнаруженных спектральных закономерностей. Рассмотрены эффекты, каждый из которых (или их комбинация) при определенных параметрах петли может объяснить наблюдаемые различия в наклоне и динамике спектра излучения из областей вершины и оснований вспышечной петли. Первый связан с поперечной анизотропией питч-углового распределения нетепловых электронов. Из-за более сильной направленности гиросин-хротронного излучения на более высоких частотах такая анизотропия обеспечивает систематически более крутые спектры в квазипродольном направлении к магнитному полю (вблизи оснований петли), чем в ква-зипоиречном (в вершине) (раздел 1.2 и [42]). Второй эффект связан с влиянием напряженности магнитного поля на наклон частотного спектра на фиксированной частоте. Увеличение а при переходе от релятивистского предела аге1 = {6 - 1)/2 (номера гармоник 5 = ш/шве > 30), к нерелятивистскому (гармоники 5 = ы/сове < Ю) может достигать 0.5-1. Поэтому в области оснований, где поле больше, соответствующее излучение на данной частоте генерируется на более низкой гармонике и, соответственно, с более крутым спектром. Третьим эффектом является подавление излучения на низких частотах в плотной плазме (эффект Разина) [89, 90]. Благодаря этому эффекту спектральный индекс а может быть существенно (на 0.5-2) меньше в вершине петли, чем вблизи ее оснований, так как в вершине подавление излучения может быть больше из-за более слабого магнитного поля. Определенное влияние на сиек-
20
тральный индекс излучения может оказать также различие вкладов в радиоизлучение из вершины и оснований от захваченных и высыпающихся электронов, имеющих разные наклоны энергетического спектра.
Обнаруженное временное уплощение микроволнового спектра в его оптически тонкой части, ио-видимому, имеет ту же самую природу, что и уплощение, наблюдаемое в интегральном излучении, без пространственного разрешения (см. раздел 1.1.3). В этом случае более быстрое уплощение спектра в источнике вблизи оснований, а также отсутствие видимой задержки временных профилей излучения на частотах 34 и 17 ГГц должно быть связано с меньшим временем жизни излучающих электронов вблизи оснований, чем в вершине.
В последние годы, в связи с открытием МГД-осцилляций корональ-ных магнитных петель, непосредственно наблюдаемых в ультрафиолетовых лучах (SOHO, TRACE) с высоким пространственным разрешением, резко усилился интерес к гелиосейсмологии, развивающей методы диагностики физических условий в корональных петлях по наблюдаемым характеристикам их осцилляций. Особый интерес вызывают коротко-периодические (1-20 сек) МГД-волны, которые могут быть источником нагрева солнечной короны [91]. Однако, временное разрешение космических инструментов недостаточно для детального исследования этих волн. В то же время разрешение радиотелескопов вполне достаточно для обнаружения пульсаций с такими периодами.
Именно такие короткопериодические пульсации см-мм излучения всиы-шечных петель являются предметом исследования в Главе 3. Обычно они интерпретируются как следствие МГД-осцилляций магнитных петель (БМЗ и альвеновских), которые модулируют гиросинхротрон-ное излучение захваченных нетепловых электронов [92], или высыпание электронов в плотные слои атмосферы [93, 94]. Происхождение МГД-осцилляций, в свою очередь, связывается с первичным энерговыделением в плотном вспышечном ядре [93] или с испарением хромосферы [94]. Позднее были предложены модели, в которых пульсации излучения связываются с осциллирующим процессом ускорения частиц в токовых слоях [10], во взаимодействующих токонесущих петлях [95] или в одиночной вспышечной петле, рассматриваемой в качестве LCR-контура [96].
При определенных предположениях о размерах арок характеристики этих пульсаций дают возможность независимой детальной диагностики магнитного ноля и плазмы в радиоисточнике [97]. Но отсутствие информации о размерах арки и о пространственном распределении амплитуды
21
и фазы пульсаций затрудняют определение моды МГД-колебаний, а следовательно, не дают уверенности в правильности диагностики. В то же время, возможности такого инструмента как радиогелиограф в Нобсяме (NoRH) вполне адекватны для исследований различных типов короткопериодических МГД-колебаний в корональных арках [98, 99, 100, 40, 46].
В данной главе подробно исследуются свойства вспышки с пульсациями в см-мм- и HXR-излучении, которая наблюдалась с высоким пространственным разрешением, причем одновременно на двух частотах, 17 и 34 ГГц. Получены данные о продольном и поперечном размерах пульсирующего радиоисточника, распределении яркостной температуры, а также о наклоне частотного спектра в разных частях вспышечной петли [99, 46]. Эти параметры использованы для определения физических условий внутри петли, что, в свою очередь, позволило установить 'ГИИ наблюдаемой моды МГД-осциляций во вспышечной иетле[40, 46].
В разделе 3.1 описаны наблюдаемые характеристики лимбовой вспышки 12 января 2000г., зарегистрированной на радиогелиографе Нобеяма. Проведен сравнительный анализ пульсаций в микроволновом (17 и 34 ГГц) и жестком рентгеновском излучении (по данным Yohkoh/HXT). Представлена пространственная структура радио- и рентгеновских источников этой вспышки. Определены продольный и поперечный размеры микроволнового источника но данным радиогелиографа на частоте 34 ГГц: длина вспышечной петли L & 2.5 х 109 см ( 34"), и ширина на половине интенсивности d& 6 х 108 см (8"). Представлены результаты исследования пульсаций в разных частях вспышечной петли, в частности: 1) наличие двух главных спектральных компонент Рг = 14 - 17 сек и Р2 = 8 — 11 сек, причем компонента Р\ более выражена в вершине петли, а Р2 - в ногах петли; 2) существование фазового сдвига А(р « 2.2 сек между пульсациями в вершине петли и северном основании для спектральной компоненты Р2 и отсутствие такового для компоненты Р\.
В разделе 3.2 описана микроволновая диагностика, в результате которой сделана оценка параметров плазмы внутри вспышечной петли: концентрация фоновой плазмы щ « 1011 см~3, и магнитное поле В « 100 Гс в верхней части и В« 200 Гс в нижней части петли. Показано, что эти оценки согласуются с величинами, полученными из наблюдений в оптическом (SOHO/MDI) и мягком рентгеновском (Yohkoh/SXT, GOES) диапазонах. В разделе 3.3 проведен анализ возможных причин модуляции радиоизлучения.
В разделе 3.4 описаны возможные быстрые магнитозвуковые (БМЗ)
22
моды линейных МГД колебаний цилиндрической трубки магнитного потока, заполненной однородной плазмой. Рассмотрены радиальная („эаи-sage“), изгибная („ктк“) и балонная моды. В разделе 3.5 параметры плазмы, полученные из микроволновой диагностики, используются для оценки характерных скоростей: альвеновских Сао, Сде и звуковых С$о, Сзе (индексы 0 и е относятся к скоростям внутри и снаружи трубки, соответственно). Эти значения используются для расчета фазовых скоростей и периодов различных мод МГД колебаний магнитной трубки, а также для расчета их дисперсионных кривых.
Показано, что период Р\ = 16 сек соответствует основной гармонике радиальных БМЗ колебаний, т.е., глобальной моде. Эта мода имеет максимальное возмущение магнитного ноля в вершине петли и узлы в основаниях. Колебания в разных частях петли происходят синфазно в полном соответствии с наблюдениями.
Показано, что вторая компонента Р<1 = 9 сек может ассоциироваться с несколькими модами: второй или третьей продольными гармониками изгибной моды, третьей гармоникой радиальной моды и второй гармоникой балонной моды. Наблюдаемое распределение фазы осцилляций вдоль петли предполагает, что эта мода, скорее всего, имеет сложную радиальную структуру с радиальным номером гармоники I > 1.
В разделе 3.6 теоретически показано, что глобальную радиальную моду БМЗ-волн могут поддерживать только достаточно толстые и плотные корональные магнитные петли. Продемонстрировано, что период осцилляций этой моды, рассчитанный в приближении прямого цилиндра, определяется длиной петли, а не ее диаметром, как это ранее предполагалось. Для существования этой моды необходимо, чтобы отношение длины петли к диаметру было меньше половины квадратного корня из отношения плотностей плазмы внутри и снаружи петли. Максимум возмущения магнитного поля в этой моде находится в вершине петли, а минимумы - в ее основаниях.
В Главе 4 рассмотрены возможности диагностики параметров плазмы и нестационарных мелкомасштабных процессов, протекающих внутри вспышечных петель по их радиоизлучению с тонкой временной и спектральной структурой.
Микроволновые всплески с тонкой временной и спектральной структурой обычно ассоциируются с когерентными механизмами излучения. Большие возможности для диагностики физических условий в высоких
100 тыс. км над фотосферой) корональных радиоисточниках дока-
23
заны много лет назад при исследованиях таких всплесков в метровом диапазоне (см. обзоры [3, 4, 5, 102]). Анализ всплесков 1-У типов позволил многое узнать о распределении плотности плазмы и магнитного ноля, о распространении пучков электронов и ударных волн, о захвате и кинетике ускоренных электронов в высоких корональных арках, а также о развитии плазменных неустойчивостей различных типов и генерации соответствующих всплесков когерентного излучения.
Изучению тонкой структуры в дециметровом и, особенно, в сантиметровом диапазонах длительное время уделялось мало внимания. Это объясняется как отсутствием в то время необходимой регистрирующей аппаратуры, так и их относительной редкостью и трудностью выделения на фоне гораздо более мощного в см-диапазоне континуального гиро-синхротронного излучения вспышек. Вместе с тем, такие исследования крайне важны, так как излучения в этих диапазонах несут информацию об условиях и процессах, протекающих в нижней короне, в непосредственной близости от области ускорения и энерговыделения, в частности, в самих вспышечных петлях. Прорыв в исследованиях произошел в 80-90-е годы. Несмотря на сходство с всплесками в метровом диапазоне, в дециметровом диапазоне, а в последнее время и в сантиметровом дипазоне, обнаружены типы всплесков с необычными для м-диапазона свойствами, прежде всего из-за их очень узкой частотной полосы и короткой длительности (всплески класса БСШ [7, 6]). К ним, прежде всего, следует отнести всплески тина блипы, миллисекундные пульсации и спайки. Природа и диагностический потенциал этих типов всплесков до сих пор изучены недостаточно. В то же время очевидно их большое значение как для изучения кинетики ускоренных электронов и плазменных неустойчивостей различных типов, так и для изучения одной из фундаментальных проблем солнечных вспышек - проблемы фрагментации всиышечного энерговыделения. В разделе 4.1 кратко рассмотрены наблюдательные свойства и теоретические представления об этих типах всплесков.
В разделе 4.2 и [14, 17, 21] рассмотрен один из наиболее часто наблюдаемых типов интенсивных узкополосных дм-всплесков с тонкой временной структурой - блипы. Для объяснения их происхождения предложена модель, основанная на когерентном плазменном механизме излучения. Согласно этой модели, в результате импульсного энерговыделения во венышечной петле образуется движущийся фронт ионно-звуковой турбулентности и, как следствие, пучок энергичных электронов перед
24
фронтом. В отличие от предшествующей модели [103], учтена существенная роль процесса квазилинейной релаксации при разлете пучка убегающих электронов. Кроме того, в нашей работе на основе более корректной оценки параметров пучка и ударной волны показано, что обсуждаемая задача близка к задаче (104] о стационарной инжекции пучка через границу (тепловой фронт) в плазму. Характерным для такой ситуации является эффект накопления плазменных волн вблизи области инжекции, т.е., плотность энергии плазменных волн многократно превышает плотность энергии в пучке. Область плазменной турбулентности в этом случае прижата к передней кромке расширяющихся тепловых фронтов, и ширина полосы частот всплеска определяется неоднородностью плазмы в поперечном к оси магнитной арки направлении. При этом для относительно слабых вспышек излучение может наблюдаться в виде очень узкополосного радиовсилеска, медленно дрейфующего по частоте в соответствии с движением тепловых фронтов. Яркостная температура радиоизлучения при этом может достигать значительной величины (Тярк > 1010 К) в относительно узкой полосе частот (А/// < 0,1). Модель позволяет определять концентрацию фоновой плазмы вблизи области энерговыделения, оценивать величину магнитного поля, а также некоторые структурные особенности всиышечных петель но наблюдаемым параметрам блинов (средней частоте, ширине полосы, скорости частотного дрейфа).
В разделе 4.3 проведены подробный анализ и диагностика физических параметров внутри и в окрестностях источника миллисекундных пульсаций (с периодом ~ 40 мс) в событии, зарегистрированном с помощью уникального радиоспектрометра-поляриметра Пекинской обсерватории Хуайроу с временным разрешением 8 мс и спектральным разрешением 10 МГц в обеих (11- и Ь-) поляризациях [38, 36, 39]. В результате а) обнаружено существование значительной задержки (около 20 мс) между право- и левополяризованными компонентами пульсаций; б) впервые выявлена сильная частотная зависимость этой задержки. Наблюдаемое необычное поведение степени поляризации (осцилляции с тем же периодом, что и интенсивность излучения), позволяет сделать надежный вывод о низкой величине степени круговой поляризации в источнике. Этот факт однозначно свидетельствует о том, что наблюдаемое радиоизлучение генерируется нелинейным плазменным механизмом и позволяет применить для его анализа детально разработанную теорию указанного механизма [105, 339, 106, 101]. Более того, тщательный анализ частот-
25
ной зависимости групповых задержек позволяет отделить эффекты распространения излучения от эффектов неоднородности источника, что в совокупности обеспечивает детальную диагностику вспышечной плазмы.
В последние годы все более популярной становится представление о вспышке как суперпозиции многочисленных элементарных актов энерговыделения [107,108,109]. Существенную роль в изучении этих нестационарных процессов играют наблюдения радиовснлесков с тонкой временной и спектральной структурой [2], характеристики которых указывают на очень малые угловые размеры их источников. Интерферометриче-ские наблюдения источников спайкоиодобных всплесков представляют исключительный интерес как для изучения природы этих всплесков, так и для более глубокого понимания процессов фрагментации вспышечно-го энерговыделения и ускорения частиц. Такие исследования позволили бы, в частности, определить размеры и яркостные температуры источников „элементарных“ всплесков и проследить за тем, как развивается процесс вспышечной фрагментации в пространстве. Определенные успехи в этом направлении уже достигнуты. К ним в первую очередь следует отнести а) результаты измерений видимых размеров источников субсе-кундных всплесков в см-диапазоне, выполненных с помощью Сибирского Солнечного Радиотелескопа (ССРТ) [110, 111] и б) результаты анализа динамики положения источников спайкоподобных всплесков на 333 МГц ([112, 113J с помощью антенны VLA.
В работе [113) было показано, что положения центроида источника оставалось стабильным в пределах 20" в течение каждой группы спай-ков. Однако, низкое временное разрешение (417 мс) не позволило отслеживать положение источника каждого отдельного спайка (длительность спайков порядка 100 мс). Поэтому измерялся размер и положение сразу целой группы спайков. Уникальная возможность для изучения динамики положения источников спайкоподобных всплесков появилась в связи с резким повышением временного разрешения (до 0.256 мс) двухэлементного интерферометра НИРФИ в Старой Пустыни (2 РТ-7, / = 540 МГц) [25].
В разделе 4.4 описываются результаты первых интерферометриче-ских наблюдений источников субсекундных дециметровых всплесков, выполненных на радиоинтерферометре НИРФИ с недостижимыми ранее (< 1 мс) временной разрешающей способностью и высокой точностью (до ~ 1 -2") позиционных измерений [25, 29, 34]. Основной задачей этих наблюдений было выяснение вопросов о том, а) как изменяется положение
26
центра яркости в ходе отдельного субсекундного всплеска, и б) совпадают ли в пространстве положения источников отдельных субсекундных пиков, составляющих сложный многокомпонентный всплеск. Рекордно высокое временное разрешение интерферометра позволило также поставить и решить задачу о форме временных профилей интенсивности сиай-коподобных всплесков.
В результате проведенных исследований: а) показано, что вариации положения центра яркости в ходе отдельных интенсивных пиков могут достигать 8", а линейные скорости видимого перемещения источника -30 тыс.км/с; б) установлено, что в сложных всплесках положение источников отдельных компонентов (пиков) может отличаться друг от друга вплоть до 15" для пиков, разделенных временем 100-200 мс; в) установлено, что динамика роста и спада интенсивности отдельных спайкоподобных всплесков не подчиняется простому экспоненциальному закону, ожидаемому из линейной теории развития плазменной или циклотронной неустойчивости. Вместе с тем, обнаруженный линейный характер спада логарифмической производной от потока на значительной части всплеска (от момента, когда I = 0.2 1тах на фазе роста интенсивности, до момента, когда I = 0.8 1тах на фазе спада) свидетельствует о существенной роли квазилинейной релаксации.
В заключительной части раздела 4.4 рассмотрены возможности и перспективы РСДБ-наблюдений солнечных спайкоиодобных событий. Обсуждены предыдущие РСДБ эксперименты и некоторые проблемы РСДБ наблюдений спайков [26, 32].
В Заключении кратко сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Апробация работы
Основное содержание диссертации опубликовано в работах [1-43] и докладывалось на следующих конференциях и симпозиумах: 20-ой Всесоюзной конференции но радиофизическим исследованиям Солнечной системы (Симферополь, 1988); Международной Летней школе но физике космической плазмы (Н.Новгород, 1993); 8-ом Международном симпозиуме по солнечно-земной физике (Сендай, Япония, 1994); Всероссийских радиоастрономических конференциях (Пущино, 1993; Санкт-Петербург, 1995); Конференции памяти Шкловского, Пикельнера, Каплана (Москва, 1996); Симпозиуме но солнечно-земной физике России и стран СНГ
27
(Москва, 1998); Научной конференции „Достижения и проблемы солнечной радиоастрономии“ (Санкт-Петербург, 1998); Междунардной конференции „Структура и динамика солнечной короны“ (Троицк, 1999); Научных конференциях но радиофизике (Нижний Новгород, 2001,2004,2005); Всероссийских астрономических конференциях (Санкт-Петербург, 2001; Москва, 2004); Конференциях Европейского Сообщества Солнечных Радиоастрономов (Потсдам, Германия, 1994; Хельсинки, Финляндия, 1997; Мюнхен, Германия, 2001; Скай, Шотландия, 2004); Российской конференции “Активные процессы на Солнце и звездах” (Санкт-Петербург, 2002); Европейских конференциях по солнечной физике (Новый Орлеан, Франция, 1996; Флоренция, Италия, 1999; Прага, Чехия, 2002; Лёвен, Бельгия, 2005); Международном симпозиуме по физическим процессам, связанным с Солнцем (Вэйхай, Китай, 2002); Конференции стран СНГ и Прибалтики “Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности” (Н. Новгород, 2003); Симпозиуме Международного Астрономического Союза IAU-223 (Санкт-Петербург, 2004); Международной Конференции по солнечно-земной физике (Иркутск, 2004); Международном Нобеямском симпозиуме (Нобеяма, Япония, 1998, 2004); 7-ой Греческой астрономической конференции (Кефалиния, Греция, 2005); Международном симпозиуме “Астрономия-2005: состояние и перспективы развития” (Москва, 2005).
Результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах НИРФИ, ГАО РАН, ИСЗФ СО РАН, ФТИ РАН, а также на семинарах университетов Берна (Швейцария), Уорвика и Глазго (Великобритания), Сан-Пауло (Бразилия), Нью Джерси (США), Радиоастрономической обсерватории Нобеяма (Япония), Национальной астрономической обсерватории в Токио (Япония), Института аэрокосмических исследований в Сагамихаре (Япония), Национальных астрономических обсерваторий Китая (Пекин, Нанкин).
Публикации
По теме диссертации автором подготовлено 74 статьи. 34 статьи опубликованы в рецензируемых журналах, в том числе: 16 - в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов (“Успехи Физических Наук”, “Астрономический журнал”, “Письма в Астрономический журнал”, “Известия РАН. Серия физическая”, “Известия ВУЗов. Радиофизика”); 18 - в международных журналах (“Astronomy and Astrophysics”, “Astrophysical Journal”, “Solar Physics”, “Physical Review Letters”, “Advances in Space Research” и др.). 40 статей опубликованы в
28
сборниках трудов Российских и международных научных конференций; 66 из 74 статей опубликованы после защиты кандидатской диссертации (1990 г. и позже).
Личный вклад автора в выполненные работы
Все результаты диссертационной работы получены либо автором лично, либо в итоге совместной работы с его научными коллегами. В большинстве совместных работ вклад автора был определяющим и состоял в постановке задачи, анализе данных, проведении модельных расчетов, интерпретации полученных результатов и подготовке публикаций. В полной мере это относится к результатам, опубликованным в работах [12,19-20, 25-27, 29-30, 34-36, 46, 48-52, 54-55]. В работах [14,17, 21, 32-33, 41-42, 47, 53] автор принимал активное участие в постановке задачи, проведении теоретических расчетов и обобщений, формулировке результатов и подготовке публикаций. Вклад соавторов в эти работы равноценен. В работах [13, 15-16, 18, 22-23, 28, 31, 37-40, 43-45] вклад автора состоял в исследовании микроволнового излучения вспышек и интерпретации полученных результатов. Часть результатов получена в кооперации с сотрудниками Радиообсерватории Нобеяма (Япония), Пекинской Обсерватории (Китай) и университетов Берна (Швейцария), Уорвика (Англия), Сан-Пауло (Бразилия).
При проведении исследований автор использовал наблюдательные данные, полученные коллективами Радиоастрономических станций НИР-ФИ „Зименки“ и „Старая Пустынь“, а также Бернского университета (Швейцария), Нобеямской Радиоастрономической Обсерватории (Япония), Пекинской Астрономической обсерватории (Китай), Обсерватории Qwens Valley (США). Кроме тот, в работе использовались наблюдательные данные, полученные на космических аппаратах Yohkoh, SMM, BATSE, SOHO.
Автор выражает искренние благодарности коллегам и соавторам своих работ за плодотворное научное сотрудничество и многочисленные дискуссии: А.Ф. Дементьеву, H.A. Дугину, Б.Н. Левину, В.Э. Резниковой, С.Д. Снегиреву. Ю.В. Тихомирову, В.М. Фридману, O.A. Шейнер (НИР-ФИ), Г.Д. Флейшману (ФТИ РАН им. Иоффе), A.B. Степанову (ГАО РАН), С.П. Горбикову (ННГАСУ), В.М. Накарякову (Университет Уорвика, Англия), А. Магуну (Бернский университет, Швейцария), А. Силве, П. Кауфману (Университет МакКензи, Бразилия), К. Шибасаки, X. Накаджиме и Т. Йокояме (NAOJ NRO, Япония), К.Дж. Фу и Г.Л.Хуангу
29
(Национальные астрономические обсерватории, Китай). Автор глубоко признателен В.В. Зайцеву (ИПФ РАН) за постоянную поддержку, интерес к работе и конструктивную критику, В.В. Гречневу (ИСЗФ СОРАН) за полезные дискуссии и ценные советы по обработке наблюдательных данных.
30
Глава 1
Широкополосное микроволновое излучение солнечных вспышек и его диагностический потенциал
Континуальные микроволновые всплески, генерируемые гиросинхротрон-ным механизмом среднерелятивистскими электронами, ускоренными во время солнечных вспышек, являются основной компонентой радиоизлучения всиышечных петель. Изучению этих радиовсилесков посвящено большое количество работ - как экспериментальных так и теоретических (см. обзоры [1, 2]). Интерес к ним вызван прежде всего тем, что это излучение несет важную информацию о процессах ускорения частиц до релятивистских энергий. Как известно, проблема ускорения является фундаментальной проблемой не только физики солнечных вспышек, но и всей космической физики. Широко известно также прикладное значение наблюдений континуальных микроволновых всплесков. Различные характеристики этого излучения широко используются для диагностики и краткосрочного прогноза параметров потоков энергичных электронов и протонов солнечных космических лучей (СКЛ) [11, 12, 15, 19].
Умение определить характеристики ускоренных чаетиц, физические условия в области вспышки и условия выхода частиц в межпланетное пространство [13, 16, 20] является ключевым для прогноза параметров СКЛ и, следовательно, для прогноза различных геоэффективных последствий вспышек.
Для диагностики физических условий в области вспышки принципиальное значение имеет соотношение между частотным спектром гиросин-хротронного излучения и энергетическим спектром излучающих электронов. Обычно полагают, что спектр электронов в ловушке АТ(Е) ос £7 полностью соответствует спектру мощности инжекции N(E) ос £7, вос-
31
станавливаемому по спектру жесткого рентгеновского излучения [57, 58]. Деформацию энергетического спектра электронов, обусловленную их динамикой во всиышечных петлях, при этом не учитывают. Не учитывают также возникающую в магнитных ловушках питч-угловую анизотропию ускоренных электронов. Между тем, как показано в наших работах (разделы 1.1, 1.2 и [132, 24, 27, 30, 49, 50, 42, 41|), эти эффекты очень существенны и их неучет может привести к значительным ошибкам при диагностике.
Данная глава посвящена детальному исследованию динамики наблюдаемых характеристик континуальных микроволновых всплесков и разработке теории этих всплесков, учитывающей эффекты динамики энергичных электронов в магнитной ловушке и влияние анизотропии иитч-углового распределения электронов на характеристики их гиросинхро-тронного излучения.
1.1 Эффекты нестационарной инжекции и кинетики энергичных электронов в магнитной ловушке
1.1.1 Соотношение интенсивностей микроволнового и жесткого рентгеновского излучения вспышек
При сопоставлении данных о микроволновом и жёстком рентгеновском излучениях солнечных вспышек сразу же обнаруживается подобие временных профилей этих излучений. Особенно это заметно в многокомпонентных импульсных всплесках, в которых совпадают даже детали. Вместе с тем, имеется довольно слабая корреляция интенсивностей микроволновых и рентгеновских всплесков. В работе [114] проведён подробный анализ 32 событий, зарегистрированных на радиоастрономической станции НИРФИ “Зимёнки” и на спутнике “Прогноз-Т с помощью рентгеновского спектрометра РГС-1М (ФТИ АН). Было показано, что рентгеновские всплески с близкими интенсивностями могут сопровождаться микроволновыми всплесками с интенсивностями, отличающимися в десятки и сотни раз.
Широко известно также, что микроволновые всплески типа ГУд часто вообще не сопровождаются заметным жёстким рентгеновским излучением [115]. Это неожиданный факт, поскольку мощность радиоизлучения во всплесках типа 1У/х часто больше, чем в импульсных. Более того, часто они сопровождаются ударными волнами в короне и межпланетном
32