Анализ волновых процессов по модуляциям электромагнитного излучения космических объектов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

005015617

Кислякова Кристина Георгиевна

АНАЛИЗ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПО МОДУЛЯЦИЯМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

01.04.03 — радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

1 2 [др Ш

Нижний Новгород — 2012

005015617

Работа выполнена на кафедре радиотехники радиофизического факультета Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В. В. Зайцев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В. В. Фомичев

доктор физико-математических наук, профессор В. Г. Гавриленко

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится ЖК марта 2012 г. в Л часов на заседании диссертационного совета Д 212.166.07 при Нижегородском государственном университете им. ^ Н.И. Лобачевского (603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23), •

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, д. 23, корп. 1.

Автореферат разослан ДО ^сСрЛл^1- 2012 і

Учёный секретарь диссертационного совета 7

кандидат физико-математических наук, * / В.В. Черепенников

доцент

Общая характеристика диссертации

Предмет исследования и актуальность темы. При изучении астрофизических объектов наибольший интерес представляет исследование их излучения, позволяющее получить информацию об условиях на этих обычно недоступных для контактных измерений объектах. Данная диссертационная работа посвящена исследованшо колебательных процессов в солнечной атмосфере и в системе «звезда-нланета» в экзопланетных системах и их проявлений в наблюдаемых модуляциях солнечного микроволнового излучения и световых кривых транзитных экзопланет.

В настоящее врем большое внимание уделяется изучению явлений в солнечной атмосфере [1, 2]. Различные направления исследований включают в себя изучение колебательных процессов в корональных магнитных петлях [3-5], солнечных пятнах [6, 7], исследования глобальных осцилля-ццй Солнца как газового шара [8, 9]. Большое количество работ посвящено поискам механизма развития солнечных вспышек (например, [10-12]), однако, полная ясность в данном вопросе до сих пор не достигнута, в связи с чем исследования в данном направлешш представляются весьма актуальными.

Другим важным вопросом, до сих пор не решенным в современной астрофизике, является поиск источников нагрева солнечной и звездной корон [13], так как в короне отсутствуют видимые источники нагрева, способные объяснить ее быстрый разогрев от десятков тысяч градусов в переходной области до миллионов в более высоких слоях. В настоящее время рассматриваются несколько основных возможных источников нагрева, а именно, нагрев токами [14], нагрев за счет затухания различных типов волн [2, 5], нагрев за счет микровспышек [10, 15]. Однако, все эти механизмы имеют свои ограничения. В частности, для эффективного нагрева корональных магнитных петель токами требуются значения тока I > 1015 А, в то время как наблюдаемые токи, как правило, не превышают Ю10 -г-1011 А. В случае микровспышек до сих пор не установлено, происходят ли они с достаточной частотой для обеспечения нагрева [11]. В случае с волнами различных типов не всегда ясно, является ли скорость их затухания достаточной. Нагрев короны могли бы обеспечить глобальные 5-минутные осцилляции скорости фотосферной конвекции, несущие большую энергию, однако, они не могут непосредственно проникать в корону, так как обладают недостаточно высокой частотой и отражаются от области температурного минимума [1]. Тем не менее, в работе [9] был предложен механизм, в котором 5-минутные колебания могут проникать в корону благодаря явлению параметрического резонанса.

Таким образом, поиски источников нагрева короны являются одним из приоритетных направлений в современной физике Солнца.

Весьма перспективным в настоящее время представляется также исследование планет, находящихся вне Солнечной системы («экзопланет»), В настоящее время (по состоянию на февраль 2012 года) известно уже более 750 экзопланет, и каждую неделю поступают сообщения об открытии все новых, что позволяет сделать вывод о многочисленности планетных систем в нашей Галактике [16]. Несомненно, исследования в этом направлении являются очень актуальными и представляют значительный интерес. В настоящее время широко применяется метод транзитной фотометрии - способ обнаружения экзопланет, основанный на наблюдениях прохождений планеты на фоне звезды («транзитов»), впервые примененный при открытии экзопланеты НБ 209458Б [17] и позволяющий не только обнаруживать сам факт наличия планеты, но и определять некоторые ее свойства. В частности, по поглощению излучения родительской звезды во время транзита возможно определение состава атмосферы планеты [18].

Целью настоящей диссертационной работы является разработка методики обработки записей излучения астрофизических объектов, исследование колебательных процессов в солнечной атмосфере и в системе «звезда-планета» применительно к экзопланетным системам.

1. Адаптация метода Вигнера-Виля применительно к астрофизическим объектам, разработка методики подготовки к обработке и непосредственно обработки записей излучения.

2. Исследование модуляций солнечного излучения различных типов и физических процессов в источниках излучения.

3. Рассмотрение двух механизмов нагрева корональных магнитных петель и оценка их эффективности на основе данных о модуляциях солнечного излучения.

4. Определение параметров транзитных экзопланет и исследование проявлений активности родительских звезд по модуляциям световой кривой.

Научная новизна

1. Разработан новый алгоритм предварительной обработки записей излучения астрофизических объектов с последующим применением метода Вигнера-Виля в сочетании с методом Фурье-анализа со «скользящим окном».

2. Впервые получено подтверждение проявлений параметрического резонанса на 11,7 ГГц, что указывает на проникновение 5-мин осцилляции скорости фотосферной конвекции высоко в корону. Проведено исследование частоты встречаемости догонериодических линий в низкочастотных спектрах солнечного микроволнового излучения, получены оценки яркостной температуры колебаний. Показано, что развитию вспышки в корональной магнитной петле предшествует резкое увеличение силы тока, текущего в петле, что указывает на важную роль токов в развитии вспышек. Получено хорошее согла-совашге периодов кинк-осцилляций магнитных петель с периодами низкочастотных модуляций в спектрах микроволнового излучения Солнца, указывающее на наличие физической связи между кинк-осцилляциями петель и их микроволновым излучением.

3. Впервые определена плотность энерпш медленных магнитозвуко-вых колебаний в корональных магнитных петлях в случае параметрического резонанса. Показано, что механизм нагрева петель медленными магнитозвуковыми колебаниями позволяет объяснить происхождение горячих рентгеновских петель с температурами (Зч-б) х 106 К. Предложен новый механизм развития микровснышек в корональных магнитных петлях и их детектирования с использованием анализа модуляций микроволнового излучения Солнца, показано, что микровспышки при определенных параметрах петли могут приводить к ее эффективному нагреву.

4. Разработана новая методика исследования звездной активности на основе анализа световых кривых транзитных экзопланет, впервые с применением разработанного алгоритма исследованы световые кривые «Горячего Юпитера» Ехо2Ь.

Научная и практическая ценность. Полученные результаты представляют интерес для понимания процессов развития солнечных вспышек, нагрева солнечной короны и процессов взаимодействия в системе «звезда-планета». Полученные результаты могут быть использованы для объяснения происхождения горячих рентгеновских магнитных петель в солнечной короне, теоретического объяснения наблюдаемых особенностей в динамических спектрах солнечного микроволнового излучения и определения характеристик экзопланет и их родительских звезд.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Применение предварительной обработки цифровых записей излучения астрофизических объектов и билинейного метода Вигнера-Виля

в сочетании с методом Фурье-анализа со «скользящим окном» позволяет реализовать цифровой спектрально-временной анализ в широком диапазоне с хорошей временной и частотной разрешающими способностями и минимизировать появление искажений.

2. Проявление линий параметрического резонанса (3,3, 5 и 10 минут) в спектрах микроволнового излучения Солнца на частоте 11,7 ГГц свидетельствует о проникновении 5-минутных колебаний скорости фотосферной конвекции высоко в солнечную корону. Наличие в спектрах микроволнового излучения парных линий с различающимися в два раза частотами является проявлением кинк-осцилляций коро-нальной магнитной петли. Наиболее часто встречающаяся в спектрах долгопериодических осцилляций (20 4- 80 мин) модуляционная линия с периодом около 30 минут соответствует крутильной или радиальной моде собственных колебаний солнечных пятен.

3. Развитию вспышки в корональной магнитной петле предшествует резкое увеличение силы тока. Причиной увеличения тока может являться желобковая неустойчивость.

4. В корональных магнитных петлях за счет параметрического резонанса с 5-минутными осцилляциями скорости фотосферной конвекции возбуждаются медленные магнитозвуковые осцилляции, плотность энергии которых достаточна для разогрева «горячих» рентгеновских петель до наблюдаемых температур (3 -f 6) х 10е К.

5. Наличие в спектрах солнечного микроволнового излучения модуляции с периодически изменяющейся частотой и периодом ее изменения, близким к 150 секундам, является проявлением микровспышек в корональных магнитных петлях, возникающих за счет взаимодействия 5-минутных фотосферных осцилляций с токонесущими петлями. 1

Апробация работы. По теме диссертации опубликованы 8 статей в ведущих российских и иностранных научных журналах, входящих в список ВАК, 10 докладов в трудах отечественных и международных конференций, 3 тезиса докладов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах Института прикладной физики РАН, российских и международных конференциях: научная конференция по радиофизике ННГУ (Нижний Новгород, 2008, 2009, 2010), научная школа «Нелинейные волны - 2010» (Нижний Новгород, 2010), Всероссийская ежегодная конференция по физике Солнца (Санкт-Петербург, 2009, 2010), 7th international Workshop on Planetary, Solar and Heliospheric Radio

Emissions (Грац, Австрия, 2010), European planetary science congress (Рим, Италия, 2010), XI Russian-Finnish Symposium on Radio Astronomy (Пущи-HO, Россия, 2010), European Week of Astronomy and Space Science (Санкт-Петербург, Россия, 2011).

Результаты исследований использовались в грантах РФФИ 08-02-00119-а, 11-02-00103-а, 10-02-00265а, в конкурсном контракте КД НК-21П с Федеральным Агентством Образования Российской Федерации, а также в гранте 228319 в рамках проекта Europlanet RI-FP7.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введенім, трех глав, Приложения 1, Заключения и списка литературы, включающего и работы автора. Общий объем диссертации составляет 133 страницы, включая 33 рисунка. Список литературы содержит 127 наименований.

Краткое содержание работы

Во Введении определены предмет исследований и задачи диссертационной работы, обоснована актуальность тематики, а также приведен обзор публикаций по тематике работы.

В первой главе описывается алгоритм обработки данных и его программная реализация, использованные при обработке записей солнечного микроволнового излучения и оптических световых кривых экзопланеты Ехо2Ь. В главе приводятся основные алгоритмы методов спектрально-временного анализа, а также процессов подготовки цифровых сигналов к анализу. В данной диссертационной работе для обработки записей радиоизлучения Солнца применялось преобразование Вигнера-Виля в сочетании с преобразованием Фурье со «скользящим» окном. Для предварительной обработки данных разработан пакет программ, используемый для предварительной «чистки» сигнала от помех, удаления трендов и среднего, частотной фильтрации различных типов. Новизна предложенной методики заключается в возможности благодаря предложенной улучшенной предварительной обработке избежать появления в спектрах артефактов и искажений и получить спектры с высоким временным и частотным разрешением [19, А6]. Предложенный алгоритм позволяет, например, уверенно выделять в спектрах модуляционные линии с линейной частотной модуляцией, которые практически невозможно обнаружить с применением одного лишь быстрого преобразования Фурье.

Во второй главе проведено исследование и теоретическая интерпретация модуляций интенсивности солнечного микроволнового излучения. В разделе 2.1 на примере более 40 событий, наблюдавшихся в обсерватории «Метсахови» на 11,7 ГГц, исследованы долгопериодические осцилляции микроволнового излучения Солнца. Оценена частота появления долгопериодических линий с различными периодами и получен новый результат, согласно которому наиболее часто в низкочастотных спектрах солнечного микроволнового излучения встречается линия с периодом около 30 минут. Показано, что наблюдаемые модуляционные периоды 20 4-90 мин могут соответствовать радиальной или крутильной моде колебаний солнечных пятен. Новым результатом является также получение оценок яркостной температуры колебаний. В разделе 2.1 показано, что яркостная температура колебаний в зависимости от уровня активности Солнца может различаться более, чем на порядок. Рис. 1 иллюстрирует зависимость частоты появления колебания от его периода |А2]. Для удобства рассмотрения были выделены два диапазона с периодами 1 -Ь12 (рис. 1а) и 20 4- 95 (рис. 16) минут соответственно. Как можно увидеть из рис. 1а, наиболее часто в первом диапазоне встречаются колебания с

1 4 5 6 7 8 9 10 II 12 Период колебания, мин

20 25 3035 4045 50 5560 657075 80 8590 95 Период колебания, мин

Рис. 1. Частота появления краткопериодических линий (периоды 1 -г 12 мин) в излучении Солнца на частоте 11,7 ГГц (а); частота появления долгопериоди-ческих линий (периоды 20 -т- 90 мин) в излучении Солнца на частоте 11,7 ГГц (б)

периодами, близкими к 5 .минутам. Как известно, в фотосферной конвекции существует широкий спектр осцилляции скорости, максимум которого приходится на колебания с периодом около 5 мин, что приводит к появлению в спектрах модуляции с соответствующим периодом. Одним из возможных механизмов возбуждения колебаний с периодами около 3 и 10 минут является параметрический резонанс, возникающий в коро-нальных магнитных петлях подходящей длины. При этом 5-минутные фотосферные колебания выступают в роли накачки, и в результате взаимодействия с ними возбуждаются колебания на основной частоте ш, а также субгармоники с частотами и/2 (10 минут) и |а> (3 минуты). Параметрическая неустойчивость возникает в узких зонах вблизи частот шп = = 1,2,3,..., то есть (¿1 = ш/2, = ш, и>з = |и,— В поль-

зу данной гипотезы говорит также соотношение ширин и интенсивностей линий: наибольшей шириной обладает линия субгармоники (10 мин), а наибольшей интенсивностью - линия накачки (5 мин). Это связало с различными условиями возбуждения гармоник при параметрическом резонансе и различной шириной области возбуждения. Ранее параметрический резонанс был обнаружен в низкочастотной модуляции микроволнового излучения на 37 ГГц. Подтверждение проявления параметрического резонанса на частоте 11,7 ГГц свидетельствует о существовании механизма, благодаря которому 5-минутные осцилляции скорости фотосферной конвекции проникают высоко в корону, что может быть особенно важно

для понимания ее нагрева. Во втором диапазоне (рис. 16) не только наибольшую частоту появления, но и наибольшую интенсивность имеют дол-гопериодические осцилляции с периодами около 35 минут, которые могут быть связаны с колебаниями солнечных пятен как целого. Согласно [6], подходящими периодами обладают крутильная и радиальная моды колебаний солнечных пятен. Полученные оценки показывают, что яркостная температура колебаний в случае вспышечных событий и «спокойного» Солнца может различаться более, чем на порядок, что является новым результатом.

В разделе 2.2 рассматривается необычная предвспышечная модуляция микроволнового излучения в корональных магнитных петлях. Как можно увидеть из рис.2, собственно вспышке предшествуют резкое увеличение и последующий спад частоты модуляции, наблюдаемой в спектре микроволнового излучения. Так как частота собственных LRC-колебаний петли как эквивалентного электрического контура связана с протекающим в петле током [20, А5]

_ С _ 1__h

VLRC 2ity/LC(Io) ~ (2тг)2/3^ cri у/п^тгЦ' U

данный результат свидетельствует о том, что развитию вспышки в магнитной петле предшествует резкое, в несколько раз, увеличение силы тока. В уравнении (1) Л - параметр, определяемый геометрическими характеристиками петли, п2, r2, 12 - электронная концентрация, радиус и длина корональной части петли, То - протекающий в петле ток, L и С -индуктивность и емкость петли соответственно, с - скорость света, rrli -масса иона. Повышенная диссипация тока приводит к резкому увеличению энерговыделения и, в конечном итоге, к возникновению вспышки. В разделе показано, что причиной резкого увеличения тока перед вспышкой может являться желобковая неустойчивость. Данный результат свидетельствует о важной роли тока в развитии солнечных вспышек, механизм возникновения которых до сих пор окончательно не изучен.

В разделе 2.3 обсуждаются возможные проявления кинк-осцилляций корональных магнитных петель в солнечном микроволновом излучении. Как известно [4], крупномасштабные кинк-осцилляции корональных магнитных петель (КМП) сопровождаются периодическим увеличением магнитного поля в основаниях петли дважды за период. Так как формула для интенсивности микроволнового излучения КМП дает относительно сильную зависимость интенсивности от магнитного поля и существенную угловую анизотропию излучения [4], при определенном расположении петли наблюдатель будет наряду с возникающими за счет движения диаграммы направленности осцилляциями на основной частоте кинк-осцилляций

Рис. 2. Событие 30 марта 2001 года: интенсивность микроволнового излучения по наблюдениям спектрополяриметра «Нобеяма» на 17 ГГц (а); спектр низкочастотной модуляции микроволнового излучения, полученный с использованием преобразования Вигнера-Виля (б)

ио = l/Posc наблюдать также модуляцию на двойной частоте 2vq. Следовательно, обнаружение таких модуляционных пар позволяет получить информацию о кинк-осцилляциях КМП. В разделе 2.3 первые проведено сравнение проявлении кинк-оецилляций КМП в различных диапазонах, а именно, наблюдений на частотах 11,7 и 37 ГГц и наблюдений спутника TRACE в ультрафиолете. Получено хорошее согласование наблюдаемых периодов и обнаружено большое количество модуляционных пар, что указывает на наличие связи геометрических кинк-осцилляций с модуляциями микроволнового излучения [A4, А20].

Третья глава диссертационной работы посвящена изучению проблемы нагрева корональных магнитных петель. В рамках данной главы обсуждаются такие возможные механизмы нагрева КМП, как нагрев при параметрическом возбуждении звуковых колебаний в корональных магнитных петлях, а также нагрев корональных магнитных петель за счет микровспышек.

Предложенный в [9] механизм, объясняющий особенности модуляций по наблюдениям на частоте 37 ГГц, был подтвержден также по наблюдениям на частоте 11,7 ГГц [А1]. Основные результаты данной работы представлены в разделе 3.1. Подтверждение проявления параметрического резонанса на частоте 11,7 ГГц свидетельствует о существовании механизма, благодаря которому 5-минутные осцилляции проникают высоко в корону, что может быть важно для понимания ее нагрева. Как показано в [9, А1], в результате взаимодействия токонесущей петли с 5-мин осцилляциями

скорости фотосферной конвекции скорость звука в петле будет иметь периодическую модуляцию с периодом 5-минутных осцилляций. С учетом этого уравнение для медленных магнитозвуковых колебаний принимает вид уравнения Матье, описывающего параметрическую неустойчивость.

Как уже упоминалось выше, параметрическая неустойчивость возникает в узких зонах вблизи частот ш„ = п = 1,2,3,..., где в качестве накачки с частотой и выступают 5-мин осцилляции. В силу более жестких условий возбуждения более высоких гармоник колебания с частотами, большими Щ-, в спектрах практически не наблюдаются.

В разделе 3.1, а также в [АЗ], оценена средняя плотность энергии медленных магнитозвузовых волн, возбуждаемых в корональных магнитных петлях в условиях параметрического резонанса. Она определяется невозмущенными значениями скорости звука и силы тока в КМП, ее геометрическими характеричтиками, а также глубиной модуляции тока. Оценку глубины модуляции тока можно получить из наблюдательных данных, используя формулу (1). Согласно проведенному анализу, в большинстве случаев она составляет от одного до нескольких процентов.

Используя выражения для плотности энергии медленных магнитозвузовых колебаний и скорости их диссипации, в разделе получены оценки для функции нагрева. В разделе 3.1 приводятся оценки для различных слагаемых декремента затухания медленных магнитозвуковых волн, обусловленных проводимостью, вязкостью и теплопроводностью. Оценка этих слагаемых показывает, что основной вклад в диссипацию ионного звука вносит электронная теплопроводность. Исходя из скорости диссипации и средней плотности энергии звуковых волн, в разделе получены оценки для функции нагрева, обусловленной данным механизмом. Необходимое условие нагрева заключается, очевидно, в том, чтобы функция нагрева превышала радиационные потери из корональной магнитной петли. В разделе 3.1 с учетом функции радиационных потерь показано, что достаточный нагрев КМП за счет диссипации медленных магнитозвуковых волн возможен в случае, когда электрический ток через поперечное сечение петли превышает 1010 А.

Таким образом, параметрический резонанс становится эффективным источником нагрева плазмы, если электрический ток в петле превышает некоторое критическое значение, и если собственная частота ее звуковых колебаний близка к половинной частоте накачки. Последнее условия требует «резонансной» длины петли 2 х 109 см < / < 2 х Ю10 см. Как впервые показано в диссертационной работе, предложенный механизм может объяснить температуры существующих в солнечной короне горячих петель с характерными длинами и температурами (3 Ч- 6) х 106 К, наблюдавшихся

спутником УоЬкоЬ.

В разделе 3.2 рассмотрен иной механизм нагрева корональных магнитных петель, связанный с микровспышками, то есть вспышками, во время которых выделяется энергия, на несколько порядков меньшая энергии обычных вспышек. Однако, в то время как вспышки - явление относительно редкое, микровспышки наблюдаются с гораздо большей частотой. Таким образом, небольшая энергия микровспышек компенсируется их большим количеством, и они, в принципе, могут вносить вклад в процесс нагрева короны. Предложен следующий механизм взаимодействия акустических 5-минутных колебаний и корональной петли, приводящий к возникновению микровспышек: так как скорость фотосферной конвекции промодулирована 5-минутными колебаниями, и так как электродвижущая сила в основаниях петли пропорциональна амплитуде скорости фотосферной конвекции, 5-минутную модуляцию получает также текущий в КМП ток. Так как продольное электрическое поле связано с вариациями тока и пропорционально его производной, периодически изменяющийся ток порождает электрическое поле, осциллирующее с тем же периодом. В разделе 3.2 получено выражение для среднего за половину периода электрического ноля. Данное поле имеет составляющую, параллельную магнитному полю, и способно приводить к ускорению электронов. Как известно, количество электронов, включающихся в процесс ускорения, напрямую зависит от соотношения ускоряющего электрического ПОЛЯ и поля Драйсера Ер = еЛо/р/У^, где Ут = квТ/те - тепловая скорость электронов, Л - кулоновский логарифм, шр - ленгмюровская частота, те - масса электрона, к в - постоянная Больцмана, е - элементарный электрический заряд, Т - температура плазмы. Если Е\\ < Ев, то есть ускоряющее поле не превышает поле Драйсера, в ускорительный процесс или убегание включаются электроны со скоростями V > (Еп/ЕцУ^Ут- Так как поле Драйсера принимает наименьшее значение в вершине петли, электроны, находящиеся в этой области, будут ускоряться наиболее эффективно.

Ускоренные электроны движутся от вершины петли к ее основаниям, где в результате столкновений передают свою энергию окружающей плазме, что приводит к ее нагреву. Данный процесс и наблюдается как микровспышка. В разделе 3.2 получены оценки для максимальной энергии, которую набирает одиночный электрон в таких условиях, вычислено общее количество ускоренных электронов, возникающих в разных областях петли и оценена их общая энергия.

Так как модуль электрического поля, возникающего за счет взаимодействия петли с фотосферной конвекцией, достигает максимума дважды

за период, микровспышки наблюдаются с периодом, в два раза меньшим периода 5-минутных колебаний, то есть около 150 секунд. На примере данных, записанных обсерваториями «Нобеяма» и «Метсахови», показано, что характерные проявления микровсиышек с указанными периодами (повышение и понижение частоты модуляции с периодом 150 с вне зависимости от уровня активности) действительно присутствуют в спектрах большинства наблюдаемых событий. Согласно полученным оценкам, данный механизм может в случае небольших давлений в петле полностью компенсировать или превысить потери на излучение из петли и не требует ее «резонансной» длины [А10].

Вполне вероятно также, что оба предложенных в главе 3 механизма могут действовать также на звездах поздних спектральных классов. В Приложении 1 обсуждаются возможности определения параметров экзопланетных систем путем анализа наблюдений транзитных экзопла-нет. В разделе рассматривается возможность изучения активности звезды спектрального класса G7V, связанной с планетой Ехо2Ь, обращающейся по очень близкой к своей звезде орбите. Как показано в разделе, после применения ряда программ, описанных в главе 1 диссертационной работы, а также в работах [А6, А7], по шуму транзитных импульсов возможно исследование астросейсмической активности звезд путем наблюдений прохождений планет через их диски. В частности, наблюдаемые искажения световой кривой могут свидетельствовать о неравномерном свечении диска звезды, то есть о проявлении активности.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты диссертационной работы.

1. Предложен новый алгоритм обработки данных, включающий в себя предварительную подготовку записей излучения (удаление трендов и среднего, «чистку» сигнала от спектральных составляющих инструментального происхождения) с последующим спектрально-временным анализом с применением билинейного метода Вигнера-Виля в сочетании с методом Фурье-анализа со «скользящим окном». Показана возможность широкого применения предложенного алгоритма в астрономии для анализа данных в различных диапазонах длин волн. В частности, в диссертационной работе алгоритм был использован для анализа микроволнового излучения различных солнечных объектов, а также для исследования световых кривых экзо-планеты Ехо2Ь.

2. Исследованы модуляции микроволнового излучения Солнца в диапазоне 20 -Ь 80 минут. Показано, что в данном диапазоне наиболее

часто встречается линия с периодом около 30 минут, которая может быть объяснена как радиальная или крутильная мода собственных колебаний солнечных пятен. Показано, что яркостная температура осцилляции в случае вспышечных событий более чем на порядок превосходит аналогичную температуру осцилляции «спокойного» Солнца. В диапазоне 3 4-10 минут наиболее часто встречаются колебания с периодами 3,3, 5 и 10 минут. Соотношение ширин и ин-тенсивностей линий свидетельствует о том, что данные линии являются проявлением параметрического резонанса в солнечной короне, когда взаимодействие глобальных 5-минутных осцилляций скорости фотосферной конвекции с корональными магнитными петлями приводит к возбуждению в последних медленных магнитозвуковых волн. Обнаружение характерных для параметрического резонанса линий в модуляции излучения на частоте 11,7 ГГц свидетельствует о том, что данный механизм позволяет 5-минутным фотосферным осцилляциям проникать высоко в корону.

3. На основе анализа данных спутника TRACE и обсерватории «Мет-сахови» показано наличие связи между крупномасштабными кинк-осцилляциями корональных магнитных петель и модуляционными парами, обнаруженными в низкочастотных спектрах микроволнового излучения. При этом в спектрах микроволнового излучения присутствуют линии с частотой, совпадающей с основной частотой кинк-осцилляций, и превышающей ее в два раза. Данную особенность можно использовать для детектирования петель, в которых кинк-осцилляции инициируются вспышкой, по данным микроволнового излучения.

4. Проведена диагностика текущих в корональных магнитных петлях токов по данным о низкочастотной модуляции солнечного микроволнового излучения. Показано, что развитию солнечных вспышек в магнитных петлях предшествует резкое (в несколько раз) увеличение силы тока, приводящее к допольнительному прогреву петли. Данный результат указывает на важную роль токов в развитии солнечных вспышек. В качестве возможной причины резкого усиления тока может выступать желобковая неустойчивость.

5. Исследован особый тип КМП, находящихся в режиме параметрического резонанса с 5-минутнымн осцилляциями скорости фотосферной конвекции. Это приводит к возбуждению медленных магнито-звуковыхзвуковых колебаний в петлях с «резонансными» длинами 2 х 109 см < I < 2 х Ю10 см и к сильному дополнительному нагреву таких петель. Показано, что эффект параметрического резонанса в

короне может объяснить существование наблюдавшихся спутником Yohkoh горячих рентгеновских петель с температурой 3 Ч- 6 миллионов градусов, существенно превышающей температуру окружающей короны (1 -г 2 миллиона градусов).

6. Показано, что в результате взаимодействия 5-минутных осцилляций скорости фотосферной конвекции с токонесущими нетлями происходит модуляция электрического тока, текущего в петле и, как следствие, генерация индукционного электрического поля. Это приводит к появлению группы убегающих электронов вблизи вершины петли, где поле Драйсера минимально. Когда ускоренные электроны достигают оснований петли, наблюдается микровспышка. Показано, что в зависимости от параметров петли за счет микровспышек возможна полная компенсация радиационных потерь, а также превышение нагрева над потерями на излучение.

7. Разработана новая методика исследования звездной активности на основе анализа световых кривых транзитных экзопланет. Выполнена предварительная и итоговая обработка световых кривых экзо-планеты Ехо2Ь по наблюдениям спутника Corot. Показана возможность исследования звездной активности с использованием наблюдений транзитных экзопланет.

В диссертационную работу не вошли результаты исследования взаимодействия «Горячего Юпитера» HD 209458b с потоком набегающего звездного ветра, опубликованные в работах [А8, А9).

Список работ по теме диссертации

[А1] В. В. Зайцев, А. Г. Кисляков, К. Г. Кислякова. Параметрический резонанс в солнечной короне // Космические исследования. — 2008. — Т. 46, № 4. — С. 310-347.

[А2] К. Г. Кислякова, В. В. Зайцев, С. Урпо, А. Рихокайнен. Долгоперио-дические осцилляции микроволнового излучения Солнца // Астрономический журнал,— 2011. — Т. 88, № 3. — С. 303-312. [A3] В. В. Зайцев, К. Г. Кислякова. Нагрев плазмы при параметрическом возбуждении звуковых колебаний в корональных магнитных петлях // Астрономический журнал. — 2010. — Т. 87, X' 4.— С. 410-416. [A4J М. L. Khodachenko, К. G. Kislyakova, Т. V. Zagarashvili, A. G. Kislyakov, М. Panchenko, V. V. Zaitsev. Possible manifestation of large-scale transverse oscillations of coronal loops in solar microwave emission // Astronomy and Astrophysics. — 2011. — V. 525. — P. A105.

[А5] В. В. Зайцев, К. Г. Кислякова, А. Т. Алтынцев, Н. С. Мешалки-на. Необычная предвспышечная модуляция микроволнового излучения корональных магнитных петель // Известия вузов. Радиофизика. — 2011. — Т. 54, № 4. - С. 243-259.

[А6] А. Г. Кисляков, Е. И. Шкелев, С. Ю. Лупов, К. Г. Кислякова. Параметры астрофизических объектов по данным о модуляции интенсивности их электромагнитного излучения. I. Алгоритмы обработки данных наблюдений // Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского.— 2011,— Т. 2, № 1, — С. 4&-54.

[А7| А. Г. Кисляков, В. В. Зайцев, Е. И. Шкелев, К. Г. Кислякова. Параметры астрофизических объектов по данным о модуляции интенсивности их электромагнитного излучения. И. Результаты наблюдений // Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского.— 2011.— Т. 4, № 1,—С. 76-88.

[А8] Н. Lammer, К. G. Kislyakova, М. Holmström, М. L. Khodachenko, М. Griessmeier. Hydrogen ENA-cloud observation and modeling as a tool to study star-planet interaction // Astrophys. Space Sei.. — 2011. — V. 335.

— P. 9-23.

[A9] H. Lammer, V. ЕуЫ, К. G. Kislyakova, J. Weingrill, M. Holmström, M. L. Khodachenko, Yu. N. Kulikov, A. Reiners, M. Leitzinger, P. Odert, M. Xi-ang Gruess, B. Dorner, M. Güdel, A. Hanslmeier. UV transit observations of EUV-heated expanded thermospheres of Earth-like exoplanets around M-stars: Testing atmosphere evolution scenarios // Astrophys. Space Sei..

— 2011. — V. 335. — P. 39-50.

[A 10] К. Г. Кислякова. Проявление микровспышек в модуляции микроволнового излучения корональных магнитных петель // Известия вузов. Радиофизика. — 2011,— Т. 54, № 11. — С. 799-815.

[All] В. В. Зайцев, К. Г. Кислякова. Параметрический резонанс в солнечной короне // Труды XII научной конференции по радиофизике, посвященной 90-летней годовщине со дня рождения М.М.Кобрина (Нижний Новгород, 7 мая 2008 г.)— Издательство ННГУ, Нижний Новгород, 2008. — С. 35-36.

[А12] В. В. Зайцев, К. Г. Кислякова. Долгопериодические осцилляции микроволнового излучения Солнца // Труды XIII научной конференции по радиофизике в 2009 году, посвященной 85-летию со дня рождения М.А. Миллера (Нижний Новгород, 13 мая 2009 г.)— Издательство ННГУ, Нижний Новгород, 2009. — С. 31-32.

[А13] В. В. Зайцев, К. Г. Кислякова. Нагрев плазмы при параметрическом возбуждении звуковых колебаний в корональных магнитных петлях // Труды Всероссийской ежегодной конференции по физике Солнца (Санкт-Петербург, Пулково, 5-11 июля 2009 г.)— Санкт-Петербург: изд-во СПбГУ, 2009.-С. 187-191.

[А14] В. В. Зайцев, К. Г. Кислякова. Нагрев плазмы при параметрическом возбуждении звуковых колебаний в корональных магнитных петлях / / Труды XV Научной школы <гНелинейные волны - 2010» (Нижний Ное-город, 6-12 марта 2010 г.)— Изд-во ИПФ РАН, Нижний Новгород, 2010,—С. 22.

[А15] А. Г. Кисляков, С. Ю. Лупов, М. Л. Ходоченк.о, К. Г. Кислякова, X. Ламмер. Программы анализа вариаций света звёзд с целью поиска планет // Труды XIV научной конференции по радиофизике в 2009 году, посвященной 80-й годовщине со дня рождения Ю.Н.Бабанова (Нижний Новгород, 7 мая 2010 г.)— Издательство ННГУ, Нижний Новгород, 2010.— С. 144-146.

|А16] А. Г. Кисляков, С. Ю. Лупов, М. Л. Ходоченко, К. Г. Кислякова, X. Ламмер. Активность звезды G7V, связанная с планетой Ехо2 // Труды XIV научной конференции по радиофизике в 2009 году, посвященной 80-ù годовщине со дня рождения Ю.Н.Бабанова (Нижний Новгород, 7 мая 2010 г.)— Издательство ННГУ, Нижний Новгород, 2010, — С. 146-148.

[А17] К. G. Kislyakova, A. G. Kislyakov, M. L. Khodachenko, H. hammer, V. V. Zaitsev, S. Yu. Lupov. Combined Sliding-Window Fourier (SWF) and Wigner-Ville (WV) algorithm // Труды XIV научной конференции no радиофизике в 2009 году, посвященной 80-й годовщине со дня рождения Ю.Н.Бабанова (Нижний Новгород, 7 мая 2010 г.) — Издательство ННГУ, Нижний Новгород, 2010.— С. 356-357.

[А18) V. V. Zaitsev, К. G. Kislyakova. Plasma heating by the parametric excitation of acoustic waves in coronal magnetic loops // Proc. of the 7th international Workshop on Planetary, Solar and Heliospheric Radio Emissions (Graz, Austria, September 15-17, 2010). — Austrian Academy of Sciences Press, ed. H. O. Rucker — 2011. — P. 445-453.

[A19] K. G. Kislyakova, A. G. Kislyakov, M. L. Khodachenko, H. Lammer, V. V. Zaitsev, S. Yu. Lupov. Programs of stellar light curves analysis in the purpose of extrasolar planet search // European planetary science congress 2010 (EPSC2010) (September 19-24 2010, Rome, Italy). — 2010. — EPSC Abstracts, Vol.5. — EPSC2010-240.

[A20] M. L. Khodachenko, A. G. Kislyakov, K. G. Kislyakova, T. V. Zaqarashvili, M. Panchenko, V. V. Zaitsev, О. V. Arkhypov, H. O. Rucker Long-periodic transverse oscillations of coronal loops and modulations of solar microwave radiation // Proc. of the 7th international Workshop on Planetary, Solar and Heliospheric Radio Emissions (Graz, Austria, September 15-17, 2010). — Austrian Academy of Sciences Press, ed. H, O. Rucker — 2011. — P. 435-443.

[A21] В. В. Зайцев, К. Г. Кислякова, А. Т. Алтынцев, Н. С. Мешалкина. Об эффекте сильного возрастания электрического тока в корональных магнитных петлях во время солнечных вспышек // Труды Всероссийской

ежегодной конференции по физике Солнца (Санкт-Петербург, Пулково, 3-9 октября 2010 г.)— Санкт-Петербург: изд-во СПбГУ, 2010.— С. 151-154.

[А22) К. G. Kislyakova, V. V. Zaitsev. Coronal loop plasma heating driven by parametric resonance with p-modes // XI Russian-Finnish Symposium on Radio Astronomy (October 18 - 22, 2010, Pushchino, Moscow region, Russia). Abstracts - P. 24.

[A23] K. G. Kislyakova, V. V. Zaitsev. Long-periodic oscillations of solar microwave emission at 11.7 GHz // XI Russian-Finnish Symposium on Radio Astronomy (October 18 - 22, 2010, Pushchino, Moscow region, Russia). Abstracts - P. 24.

Список литературы

[1| Э. Прист. Солнечная магнитогидродинамика: М.: Мир (1985), стр. 303.

[2] M. J. Aschwanden. Physics of the Solar Corona. An Introduction with Problems and Solutions (2nd edition) (2005).

[3] V. M. Nakariakov, E. Verwichte. Coronal Waves and Oscillations // Living Reviews in Solar Physics, 2, pp. 3 (2005).

[4] M. L. Khodachenko, V. V. Zaitsev, A. G. Kislyakov, A. V. Stepanov. Equivalent Electric Circuit Models of Coronal Magnetic Loops and Related Oscillatory Phenomena on the Sun // Space Science Reviews, 149, pp. 83-117 (2009).

[5] V. M. Nakariakov. MHD oscillations in solar and stellar coronae: Current results and perspectives // Advances in Space Research, 39, pp. 1804-1813 (2007).

[6] А. А. Соловьев, E. А. Кнричек. Солнечное пятно как уединенная магнитная структура: устойчивость и колебания // Астрофизический бюллетень, 63, 2, стр. 180-192 (2008).

|7] V. Smirnova, A. Riehokainen, V. Ryzhov, A. Zhiltsov, J. Kallunki. Long-period oscillations of millimeter emission above sunspots // Astronomy and Astrophysics, 534, pp. A137+- (2011).

[8] A. G. Kislyakov, V. V. Zaitsev, A. V. Stepanov, S. Urpo. On the Possible Connection between Photospherie 5-Min Oscillation and Solar Flare Microwave Emission // Solar Physics, 233, pp. 89-106 (2006).

[9] В. В. Зайцев, А. Г. Кисляков. Параметрическое возбуждение звуковых колебаний в корональных магнитных петлях // Астрономический журнал, 83, 10, стр. 921-931 (2006).

[10] J. W. Brosius, G. D. Holman. Observations of the Thermal and Dynamic Evolution of a Solar Microflare // The Astrophysical Journal, 692, pp. 492-501 (2009).

[11] M. J. Aschwanden, R. A. Stern, M. Giidel. Scaling Laws of Solar and Stellar Flares // The Astrophysical Journal, 672, pp. 659-673 (2008).

[12] K. Shibasaki. High-Beta Disruption in the Solar Atmosphere // The Astrophysical Journal, 557, pp. 326-331 (2001).

[13] M. J. Aschwanden. Keynote address: Outstanding problems in solar physics Ц Journal of Astrophysics and Astronomy, 29, pp. 3-16 (2008).

[14] D. S. Spicer. Heating by Field Aligned DC Joule Dissipation // Mechanisms of Chromospheric and Coronal Heating, pp. 547 (1991).

[15] U. Narain, K. Pandey. Nanoflares and Heating of the Solar Corona // Journal of Astrophysics and Astronomy, 27, pp. 93-100 (2006).

[16] D. A. Caldwell, et al. Instrument Performance in Kepler's First Months // The Astrophysical Journal Letters, 713, pp. L92-L96 (2010).

[17] G. W. Henry, G. W. Marcy, R. P. Butler, S. S. Vogt. A Transiting «51 Peg-like» Planet // The Astrophysical Journal, 529, pp. L41-L44 (2000).

[18] L. Fossati, S. Bagnulo, A. Elmasli, C. A. Haswell, S. Holmes, O. Kochukhov, Б. L. Shkolnik, D. V. Shulyak, D. Bohlender, B. Albayrak, C. Fioning, L. Hebb. A Detailed Spectropolarimetric Analysis of the Planet-hosting Star WASP-12 // The Astrophysical Journal, 720, pp. 872-886 (2010).

[19] E. И. Шкелев, А. Г. Кисляков, С. Ю. Лупов. Методы ослабления эффектов интермодуляции в распределении Вигнера-Виля // Изв. вузов. Радиофизика, 45, 5, стр. 433-442 (2002).

[20] В. В. Зайцев, А. В. Степанов. Корональные магнитные арки // Успехи физических наук, 178, 11, pp. 1165-1204 (2008).

Оглавление диссертации

Введение 4

Глава 1. Алгоритмы обработки и анализа данных наблюдений излучения

астрофизических объектов 21

1.1. Алгоритмы подготовки данных и алгоритмы спектрально-в ременного ана-

лиза, применявшиеся в данной диссертационной работе....................21

1.1.1 Этап подготовки данных наблюдений к обработке..................23

1.1.2 Алгоритмы спектрально-временного анализа........................29

1.2. Выводы ............................................................................31

Глава 2. Исследование модуляций интенсивности солнечного микроволнового излучения 32

2.1. Долгопериодические осцилляции микроволнового излучения Солнца как

проявление осцилляций солнечных пятен....................................33

2.1.1 Данные наблюдений ....................................................34

2Л.2 Обсуждение результатов................................................40

2.2. Необычная предвспышечная модуляция микроволнового излучения в ко-

рональных магнитных петлях..................................................46

2.2.1 Данные наблюдений ....................................................47

2.2.2 Анализ происхождения низкочастотной модуляции................58

2.2.3 Обсуждение результатов................................................64

2.3. Возможные проявления кинк-осцилляций корональных магнитных петель в солнечном микроволновом излучении................................67

2.4. Выводы ............................................................................69

Глава 3. Параметрический резонанс и проблема нагрева корональных

магнитных петель 72

3.1. Нагрев плазмы при параметрическом возбуждении звуковых колебаний

в корональных магнитных петлях..............................................73

3.1.1 Параметрический резонанс ............................................73

3.1.2 Энергия звуковых колебаний..........................................81

3.1.3 Диссипация звуковых колебаний: функция нагрева................84

3.1.4 Нагрев корональных магнитных петель..............................86

3.1.5 Обсуждение результатов................................................88

3.2. Нагрев плазмы солнечной короны за счет выделения энергии при микро-

вспышках ..........................................................................91

3.2.1 Данные наблюдений ..........................................92

3.2.2 Взаимодействие КМП с 5-минутными фотосферными осцилляци-ями как возможный механизм ускорения электронов в КМП ... 95

3.2.3 Обсуждение результатов................................................104

3.3. Выводы ..................................................................106

Приложение 1. Определение параметров экзопланетных систем путем

анализа наблюдений транзитных экзопланет 108

Заключение 114

Список литературы 117

Подписано в печать 06.02.2012. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1. Заказ № 82. Тираж 100.

Отпечатано в Центре цифровой печати Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23.

61 12-1/649

Нижегородский государственный университет

им. Н.И. Лобачевского Национальный исследовательский университет

На правах рукописи

Кислякова Кристина Георгиевна

Анализ волновых процессов по модуляциям электромагнитного излучения космических объектов

01.04.03 — радиофизика

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель д.ф.-м.н., профессор В.В. Зайцев

Нижний Новгород — 2012

Содержание

Введение 4

Глава 1. Алгоритмы обработки и анализа данных наблюдений излучения астрофизических объектов 21

1.1. Алгоритмы подготовки данных и алгоритмы спектрально-временного

анализа, применявшиеся в данной диссертационной работе ... 21

1.1.1 Этап подготовки данных наблюдений к обработке .... 23

1.1.2 Алгоритмы спектрально-временного анализа.......29

1.2. Выводы.................................31

Глава 2. Исследование модуляций интенсивности солнечного микроволнового излучения 32

2.1. Долгопериодические осцилляции микроволнового излучения Солн-

ца как проявление осцилляций солнечных пятен.........33

2.1.1 Данные наблюдений.....................34

2.1.2 Обсуждение результатов...................40

2.2. Необычная предвспышечная модуляция микроволнового излучения в корональных магнитных петлях..............46

2.2.1 Данные наблюдений.....................47

2.2.2 Анализ происхождения низкочастотной модуляции ... 58

2.2.3 Обсуждение результатов...................64

2.3. Возможные проявления кинк-осцилляций корональных магнит-

ных петель в солнечном микроволновом излучении.......67

2.4. Выводы.................................69

Глава 3. Параметрический резонанс и проблема нагрева коро-

нальных магнитных петель 72

3.1. Нагрев плазмы при параметрическом возбуждении звуковых ко-

лебаний в корональных магнитных петлях............73

3.1.1 Параметрический резонанс.................73

3.1.2 Энергия звуковых колебаний................81

3.1.3 Диссипация звуковых колебаний: функция нагрева ... 84

3.1.4 Нагрев корональных магнитных петель..........86

3.1.5 Обсуждение результатов...................88

3.2. Нагрев плазмы солнечной короны за счет выделения энергии

при микровспышках.........................91

3.2.1 Данные наблюдений.....................92

3.2.2 Взаимодействие КМП с 5-минутными фотосферными ос-цилляциями как возможный механизм ускорения электронов в КМП ........................95

3.2.3 Обсуждение результатов...................104

3.3. Выводы.................................106

Приложение 1. Определение параметров экзопланетных систем путем анализа наблюдений транзитных экзопланет 108

Заключение 114

Список литературы 117

Введение

Электромагнитное излучение астрофизических объектов является основным источником информации о физических условиях и эволюции этих обычно недоступных для контактных измерений небесных тел. В настоящее время исследователи располагают большим арсеналом средств для изучения космических объектов, в числе которых многочисленные радио- и оптические обсерватории [1-5], наблюдения при помощи аппаратуры на искусственных спутниках Земли (например, [6-8]). Изучению модуляций электромагнитного излучения и реконструкции процессов и условий на астрофизических объектах и посвящена данная диссертационная работа.

В данной диссертационной работе основное внимание уделено изучению некоторых процессов, протекающих на Солнце, и их проявлениям в наблюдаемых модуляциях солнечного микроволнового излучения (главы 2 Ч- 3 настоящего исследования), а также рассмотрению некоторых особенностей эк-зопланетных систем (приложение 1 диссертационной работы). В рамках работы был проведен подробный анализ некоторых наблюдений, выполненных обсерваториями «Метсахови» на частотах 11,7 ГГц и 37 ГГц [3, 4], а также радиогелиографами и радиополяриметрами обсерватории «Нобеяма» на частотах 1, 2, 3,75, 9,4, 17 и 35 ГГц [1, 2]. В некоторых случаях рассматривались также наблюдения Сибирского солнечного радиотелескопа на частоте 5,6 ГГц [5].

В диссертационной работе для обработки записей радиоизлучения Солнца применялось преобразование Вигнера-Виля [9-11] в сочетании с преобразованием Фурье со «скользящим» окном. Для предварительной обработки данных был разработан пакет программ, используемый для предварительной

«чистки» сигнала от помех, устранения неэквидистантности данных (если это необходимо), удаления трендов и среднего, частотной фильтрации различных типов. Применение данного метода в астрономии описывается в [12, 13], а также в работе [14], где представлены алгоритмы подготовки данных и алгоритмы спектрально-временного анализа, а также программное обеспечение, использованнное для анализа. К преимуществам данного метода можно отнести высокую чувствительность и хорошую разрешающую способность как на временной, так и на частотной шкалах, к недостаткам - вызванное нелинейностью метода возникновение в спектрах артефактов, то есть линий искусственного происхождения. Новизна предложенной в главе 1 методики заключается в возможности благодаря предложенной улучшенной предварительной обработке избежать появления в спектрах артефактов и искажений и получить спектры с высоким временным и частотным разрешением [9, 14]. Предложенный алгоритм позволяет, например, уверенно выделять в спектрах модуляционные линии с линейной частотной модуляцией, которые практически невозможно обнаружить с применением одного лишь быстрого преобразования Фурье.

В настоящее время, несмотря на обширный накопленный материал [1518], при интерпретации модуляций излучения Солнца до сих пор не решены некоторые вопросы. Остановимся более подробно на некоторых из них.

Как известно, солнечная корона имеет достаточно сложную неоднородную структуру [19-21]. Как на каждую отдельную заряженную частицу, так и на плазму в целом действует магнитное поле, что приводит к огромному многообразию возникающих в солнечной короне структур и явлений (магнитные петли, протуберанцы, корональные выбросы массы, факелы, пятна и так далее). Корональные магнитные петли (КМП) представляют собой длинные узкие плазменные жгуты, в которых давление плазмы уравновешивается давлением магнитного поля, связанного с веществом. В плазме корональных

магнитных петель, также как и в космической плазме [22-24], могут существовать различные типы магнитогидродинамических осцилляций [15-18], кроме того, наблюдаются также колебания КМП как целого (так называемые кинк-колебания петель). Кинк-мода КМП была рассмотрена в ряде работ [6, 25-29]. В разделе 2.3 данной диссертационной работы, а также в работах [29, 30] впервые проведено сравнение проявлений кинк-осцилляций КМП в различных диапазонах, а именно, наблюдений на частотах 11,7 и 37 ГГц и наблюдений спутника TRACE в ультрафиолете. Получено хорошее согласование наблюдаемых периодов, что указывает на наличие физической связи геометрических кинк-осцилляций с модуляциями микроволнового излучения.

В литературе можно найти также множество источников, в которых рассматриваются магнитогидродинамические колебания корональных магнитных петель и механизмы, благодаря которым осцилляции такого типа могут моделировать исходящее из петли излучение. Различными авторами рассматривались альфвеновские (например, [15, 17, 31, 32]), быстрые [15, 33-35] и медленные магнитозвуковые [15, 31, 36] колебания в КМП. Интерес представляют также колебания корональных магнитных петель как эквивалентного электрического контура. В рамках такого подхода магнитная петля рассматривается как виток с током, обладающий определенными индуктивностью и емкостью. Впервые такая модель была предложена в работе [37] и впоследствии успешно развивалась [25, 26, 38, 39]. Так как в данной модели частота собственных колебаний магнитной петли зависит от протекающего в петле тока, наблюдательные данные о модуляции микроволнового излучения можно использовать для диагностики тока, текущего в КМП.

В разделе 2.2 диссертационной работы представлена реализация данного подхода. В частности, показано, что развитию вспышки в магнитной петле предшествует резкое, в несколько раз, увеличение силы тока. Повышенная диссипация тока приводит к резкому увеличению энерговыделения и, в ко-

нечном итоге, к возникновению вспышки. Данный результат свидетельствует о важной роли тока в развитии солнечных вспышек, механизм возникновения которых до сих пор окончательно не изучен.

Следует также отметить, что корональные магнитные петли наблюдаются не только в солнечной короне, но и на других звездах поздних спектральных классов. В ряде работ [40-43] авторами рассматривались осцилляции коро-нальных магнитных петель, заполняющих короны этих звезд.

В то время как большинство квазипериодических колебаний в КМП имеют периоды от нескольких до нескольких сотен секунд, на Солнце наблюдаются также так называемые долгопериодические (с периодами в десятки минут) и сверхдолгопериодические осцилляции [44-46]. Считается, что квазипериодические колебания с такими периодами обусловлены колебаниями солнечных пятен. Осцилляции солнечных пятен были рассмотрены в ряде работ [47-50], однако, несмотря на это, долгопериодические колебания до сих пор изучены в меньшей степени по сравнению с более краткопериодически-ми осцилляциями с периодами 1 -=- 10 минут. В работах [51, 52] авторами была предложена так называемая модель «мелкого» солнечного пятна, в рамках которой солнечное пятно рассматривается как изолированная магнитная структура, формирующаяся из всплывшей квазивертикальной магнитной силовой трубки и проникающая в фотосферу на незначительную глубину порядка 3 4- 4 тысяч километров. В данной модели возможно несколько типов собственных колебаний солнечного пятна [51]: крутильные, радиальные, широтные и, наконец, долготные моды, каждая из которых имеет определенные периоды. В разделе 2.1 главы 2 данной диссертационной работы рассматриваются долгопериодические колебания, обнаруженные при исследовании модуляций микроволнового излучения Солнца. Оценена частота появления низкопериодических линий с различными периодами и получен новый результат, согласно которому наиболее часто в низкочастотных спектрах солнечно-

го микроволнового излучения встречается линия с периодом около 30 минут. Показано, что наблюдаемые модуляционные периоды 20 -т- 90 мин могут соответствовать радиальной или крутильной моде колебаний солнечных пятен. Новым результатом является также получение оценок яркостной температуры колебаний. В разделе 2.1 показано, что яркостная температура колебаний в зависимости от уровня активности Солнца может различаться более, чем на порядок.

Следует отметить, что в ряде случаев наблюдаемые осцилляции солнечного микроволнового и оптического излучения могут быть вызваны глобальными осцилляциями скорости солнечной фотосферной конвекции. При этом в спектре наблюдается большой диапазон частот и периодов с максимумом, приходящимся на 5 мин (так называемые 5-минутные колебания). Проявления 5-минутных осцилляций скорости фотосферной конвекции в излучении Солнца и возможность их проникновения в корону рассматривались в ряде работ [39, 53-55]. Считается, что 5-минутные осцилляции не могут непосредственно проникать в корону, так как их частота находится ниже так называемой частоты отсечки, вследствие чего они отражаются от области температурного минимума. В работе [54] авторами впервые был предложен механизм параметрического резонанса для объяснения связи 5-минутных колебаний, выступающих в роли накачки, с 10- и 3-минутными осцилляциями, которые во многих случаях присутствуют в спектрах модуляций солнечного радиоизлучения одновременно с 5-минутной линией. В случае параметрического резонанса в солнечной короне 10- и 3-минутная линии выступают в роли субгармоники и первой верхней частоты параметрического резонанса соответственно.

Впоследствии предложенный в [54] механизм, объясняющий особенности модуляций по наблюдениям на частоте 37 ГГц, был подтвержден также по наблюдениям на частоте 11,7 ГГц [55]. Основные результаты данной работы

представлены в разделе 3.1.1. Подтверждение проявления параметрического резонанса на частоте 11,7 ГГц свидетельствует о существовании механизма, благодаря которому 5-минутные осцилляции проникают высоко в корону, что может быть особенно важно для понимания ее нагрева.

Проблема нагрева солнечной и звездных корон остается одной из актуальных проблем современной астрофизики [56]. На протяжении многих десятилетий не удается понять, почему происходит быстрое возрастание температуры солнечной атмосферы от нескольких тысяч градусов на уровне фотосферы до миллионов и даже десятков миллионов градусов в короне, так как в короне нет видимых источников энергии, которые могли бы объяснить столь сильный разогрев [19, 20, 57-65]. В настоящее время в литературе обсуждаются несколько основных механизмов нагрева короны, в числе которых нагрев микровспышками, нагрев за счет затухания различных типов волн, нагрев за счет пересоединения магнитных линий, а также нагрев за счет диссипации токов. Однако, каждый из этих механизмов имеет свои ограничения. В литературе рассматривается как возникновение микровспышек за счет пересоединения магнитных линий [66], так и за счет ускорения электронов в корональ-ных магнитных петлях [67, 68]. Однако, в случае нагрева микровспышками в ряде работ высказываются сомнения о том, что микровспышки действительно происходят в солнечной короне с необходимой частотой [61, 69]. Тем не менее, в ряде работ утверждается и обратное [66, 70]. Следует отметить, что на современном уровне развития инструментов непосредственное наблюдение микровспышек в большинстве случаев пока еще невозможно, в связи с чем применяются косвенные методы оценки их количества (см., например, [57]). Несмотря на приведенные сложности, микровспышки, возможно, вносят свой вклад в нагрев короны, и этот механизм в некоторых случаях можно рассматривать как перспективный.

Нагрев короны и корональных магнитных петель за счет диссипации то-

ков рассматривался, например, в работе [71]. При этом было показано, что для эффективного нагрева корональных магнитных петель требуются токи, превышающие I > 1015 А, в то время как наблюдаемые значения, как правило, не превышают Ю10 -г 1011 А. В разделе 2.2 данной диссертационной работы показано, что развитию вспышки предшествует кратковременное резкое (в несколько раз) увеличение силы тока, повышенная диссипация которого может приводить к дополнительному прогреву петли.

Нагрев короны волнами также имеет свои ограничения. Альфвеновские волны недостаточно хорошо затухают, чтобы обеспечить необходимый уровень нагрева. Нагрев короны могли бы обеспечить глобальные 5-минутные осцилляции скорости фотосферной конвекции, несущие большую энергию, однако, как уже упоминалось выше, они не могут непосредственно проникать в корону.

В главе 3 данной диссертационной работы обсуждаются два возможных механизма нагрева солнечной короны. В разделе 3.1 главы 3 исследуется возможность нагрева корональных магнитных петель за счет звуковых колебаний, возбуждаемых в КМП в результате параметрического резонанса с 5-минутными фотосферными осцилляциями. Впервые получены оценки плотности энергии звуковых колебаний. В разделе показано, что благодаря эффективному затуханию звуковые колебания могут объяснить происхождение горячих КМП с температурами (3 ч- 4) х 106 К.

В разделе 3.2 на основе подхода к диагностике токов, обсуждавшегося ранее в главе 2, рассматривается проявление микровспышек в модуляции микроволнового излучения КМП. В предложенном механизме периодическое изменение тока, текущего вдоль петли, вызванное модуляцией электродвижущей силы в основаниях петли 5-минутными осцилляциями скорости фотосферной конвекции, приводит к возникновению в петле переменного электрического поля. Это поле, в свою очередь, ускоряет электроны в вершине

петли, где условия для ускорения оказываются наиболее благоприятными. Электроны движутся вдоль магнитных силовых линий от вершины к основаниям КМП, где в результате более частных столкновений передают свою энергию окружающей плазме. Согласно приведенным в разделе оценкам, нагрев за счет такого механизма может в ряде случаев оказаться достаточно эффективным, чтобы полностью компенсировать (а в некоторых случаях и превысить) потери КМП на излучение. К плюсам данного механизма можно отнести постоянное действие, так как 5-минутные осцилляции существуют в фотосфере вне зависимости от уровня солнечной активности. В предложенном механизме микровспышки должны происходить не в вершине, но в основаниях петли, что хорошо согласуется с некоторыми работами [69].

В приложении 1 диссертационной работы рассматривается использование предложенного в главе 1 алгоритма для анализа световых кривых так называемых «экзопланет», то есть планет, находящихся за пределами Солнечной системы. Всего спустя четыре года после открытия перв