Диагностика вспышечной плазмы по высокоэнергичному нейтральному излучению солнечных вспышек тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОЭДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОК®

На правах рукописи

ГУГЛЕНКО Вадим Геннадьевич

ДИАГНОСТИКА ВСПЫШЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ ПО ВЫСОКСЭНЕКГИЧНОМУ НЕЙТРАЛЬНОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК

(Специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1991

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе АН СССР.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Г.Е.Кочаров.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Ю.Н.Гнедин;

кандидат физико-математических наук А.М.Быков

Ведущая организация: Крымская Астрофизическая обсерватория

АН СССР.

Защита диссертации состоится " " /СР&С>Р&, 1991 года в ОС? часов на заседании специализированного ученого совета Д 003.23.01 при Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе АН СССБ по адресу: 194021, г.Санкт-Петербург, К-21, Политехническая ул.,

Д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе АН СССР.

Автореферат разослан " 10" 1991 года.

Ученый секретарь специалигированного совета,

кандидат физшсо-математччесхих наук А.Л.Орбели

0Е1\ЛЯ ХЙ?АКГЕРИСтаКА. РАБОТЫ-Актуальность темы дчссептацгм

Одной нз ва-лнейпих задач современной астрофизики является исследование наиболее мощных; проявлений солнечной активности: солнечных вспышек. Процессы, протекающие во время вспнззк, такие, как трансформация магнитной энергии в тепловую и механическую энергию плазмы, ускорен,!« частиц, генерация ударных золн и да., характерны для многих небесных объектов. С другой стороны, многообразное влияние солнечной активности на процессы на семле и в ближайшем космосе и необходимость прогнозирования радиационной обстановки на орбите Земли определяет актуальность прикладного аспекта исследования солнечных вспыг.ек. В результате многолетних исследований достигнут значительный прогресс в понимании природы явления вспьиек, однако целый ряд принципиальных вопросов до сих пор не рекен. Так, неизвестны геометрия и физические характеристики ускорительной области, не установлен конкретный механизм превращения энергии магнитного поля в тепловую и механическую энергии плазмы. Высокоэнергичное нейтральное излучение солнечных вспышек, такое, как нейтроны, гамма-излучение от распада 5Г-мезонов, тормозное гамма-излучение ультрарелятивистских электронов несет прямую информацию о процессах ускорения и распространения в солнечной атмосфере ионов и высокоэнергичных электронов. Ба последние десять лет выполнен цикл космических экспериментов по изучению указанных видов вксокоэнергичного излучения солнечных вспышек. При анализе наблюдательного материала, как правило, не учитывались конкретные условия излучения в солнечной атмосфере, такие, как конфигурация магнитного поля, плазменные эффекты и т.д.

Цель работы состояла в теоретическом изучения процесса генерации вксокоэнергичного излучения вспышек в магнитной арке при наличии плазменной турбулентности, приложении полученных

результатов для объяснения экспериментальных данных по вспышкам с зарегистрированными потоками высонсэнергачных нейтронов к ^-квантов, "определении, на этой основе характеристик ускорительного процесса во зспышке и диагностике параметров области распространения ускоренных частиц.

Научная новизна работы

1. Впервые исследовано влияние .'.¡ГД-туобулектности на характер распространения ускоренных во вспыаке ионов в арочной магнитной ловушке в солнечной атмосфере.

2. Рассчитан процесс генерации нейтронов и ^-квялгов

от распада ЭГ-меэонов во вспыиечшх петлях с учетом МГД-тур-буленгностк и получены угловые и временные характеристики потоков излучения для различных значений плотности энергии турбулентности и параметров арки.

3. Впервые с учетом конфигурации магнитного поля и рассеяния частиц на плазменной турбулентности проведена интерпретация наблюдательных данных по регистрации потоков солнечных нейтронов и ^-излучения. Установлены энергетические спектры ускоренных частиц и динамические особенности процесса ускорения для различных характеристик области ускорения (уровень турбулентности, градиент магнитного поля в хромосфере и т.д.).

4. Впервые дане объяснение задержанных (до нескольких десятков секунд) иаксго.^ч.10в вьтсоксэнерп'.чного нейтрального излучения анизотропным начальньм распределением ускоренных частиц поперек магнитного поля при слабой турбулентности, а также нестационарными процессами, развивающимися во вспышке после импульсной фазы.

Научное и практическое значение работы'

Полученные результаты имеют з&жиое значение для решения проблемы ускорения частиц в солнечных вспьпках и для диагностики вспкгечкэЯ плаэмк по совокупности нескольких видов высоко-энегглчного нейтрального рспыхечного излучения. Результаты ра-

боты могут быть использованы при интерпретации экспериментальных данных и при планировании экспериментов по наблюдению солнечных нейтронов и высокоэнергичного ^-излучения.

Положения диссертационной работы, выносимые на замуту:

1. Результаты исследования характера распространения в арочной ловушке ускоренных во вспышке ионов и ультрарелятивистских электронов при наличии МГД-турбулентности.

2. Результаты расчета генерации высокоэнергичных нейтронов, ^-излучения от распада 9"-мезонов, тормозного излучения ультрарелятивистских олегстронсз и ядерных V -линий в солнечной атмосфере при наличии МГД-турбулентности.

3. Для вспышки 21.06.80 года с зарегистрированными потоками нейтронов и ^-квантов показано, что в рамках рассматриваемой модели лозмсжно объяснить имеющиеся экспериментальные данные в предположении о едином акте ускорения и степенном спектре ускоренных частиц. Установлены характеристики ускоренных частиц непосредственно в солнечной атмосфере и возможные параметры плазмы в области распространения частиц, исходя из наблюдательных данных по высокоэнергичному нейтральному излучению вспышки.

4. Для вспышки - 03.06.82. года с зарегистрированными потеками нейтронов и ^-квантов дано объяснение вторичного задержанного максимума ^ -излучения от распада ЗГ0 либо ростом плазменной турбулентности, либо изменением параметром арки после скончания импульсной фазы еспышки.

Аппобаиич материалов, входящих в диссертации

V

Результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конЬеоенции по космическим лучам (г.Алма-Ата, сентябрь, 1988 г.), на рпбочей группе по космическим лух'ам (США, октябрь, Г980 г.), на научной сессии кафедры "Космические исследования" ЛТТУ (г.Ленинград, май, 1989 г.), на Всесоюзной конференции по космическим лучам (Дагомыс, ноябрь, 1990 г.), на 22-оЛ ?.!е*ду-

народной конференции по космическим лучау (Дублин, август, 1991 г.), на семинарах лаборатории Ядерной космической ф::зики Астрофизического отдела ФТИ им.А.Ф.Исффз АН СССР.

Основные материалы диссертации опубликованы в ? научных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глаз, заключения и списка литературы. Обчций объем диссертации составляет страниц, в тем числе: основной текст - стрениц, I таблица, 44 рисунка, список литературы, содержали /3 5 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи, перечислены основные результаты, полученный в работе, обсуждается их новизна, научная и практическая ценность. Дается краткое изложение содержания основных глав диссертации.

Первая глава имеет обзорный характер. В ней вкратце описаны основные ядерные процессы, приводящие к генерации высо-коанзргичного излучения солнечных вспышек. Дается обзор экспериментальных данных по регистрации высокоонергичных нейтронов и гамма-квантов от вспышек. Рассматриваются ииеилциеся в литературе модели области распространения ускоренных частиц в солнечной атмосфере, применявшиеся при расчетах генерации вторичного излучения.

Вторая глава посвящена исследованию влияния плазменной турбулентности на характер распространения ускоренных частиц в солнечной атмосфере. В качестве модели области распростра- . нения частиц использовалась арочная магнитная ловушка, которая наиболее близка к конфигурации магнитного поля в области вспыпки.

Показано, что наличие МГД-турбуленгности приводит к ряду принципиальных отличий в характере распространения частиц в солнечной атмосфере по сравнению со случаем чисто регулярного магнитного поля. Это обусловлено тем, что МГД-турбулентность вызывает "перекачку" частиц в область малых питч-углов, где частицы быстро тормозятся из-за больших кулоновских потерь, и высыпание частиц в плотные слои атмосферы Солнца, что сильно отражается на характеристиках генерации высокоэнергичного излучения.

В зависимости от соотношения между характерным временем рассеяния и временем пролета частицы в арке можно выделить режимы слабой и сильной диффузии по питч-углу.

Показано, что в режиме слабой питч-угловой диффузии, когда характерное время рассеянии много больше Бремени пролета частицы в арке при увеличении плотности энергии МГД-турбулент-ности характерное время генерации вторичных продуктов резко уменьшается, а спад скорости генерации излучения из степенного превращается в экспоненциальный; при этом угловое распределение первичных ионов в момент взаимодействия становится более анизотропным, а глубина взаимодействия растет. При слабой диффузии частицы не успевают заполнить конус потерь и эффективная гибель частиц и генерация ими вторичного излучения происходит при питч-углах вблизи границы конуса потерь. Поэтому характерное время спада скорости генерации вторичных продуктов в режиме слабой диффузии определяется характерным временем "перекачивания" частиц с большими начальными питч-углами к границе конуса потерь и убывает обратно пропорционально плотности энергии турбулентности.

В режиме сильной питч-угловой диффузии, когда характерное время рассеяния меньше времени пролета частицы в арке, происходит заполнение конуса потерь и основной причиной гибели частиц является высыпание их в конус потерь. В момент взаимодействия частицы движутся в основном в нижнюю полусферу, что должно приводить к уменьшению выхода вторичного излучения. Угловое распределение ускоренных частиц в корональной части арки можно счи-

тать везде изотропным, а движение частиц вдоль магнитного поля имеет диффузионный характер. Тогда характерное время ^ спада скорости генерации вторичных продуктов определяется временем пространственной диффузии частиц в арке и увеличивается с ростом уровня турбулентности. Показано, что время <ГС достигает минимума, а анизотропия в угловом распределении быстрых частиц в момент взаимодействия - максимума в случае промежуточной между режимами слабой и сильной питч-угловой диффузии.

Для режимов слабой и сильной питч-угловой диффузии получены аналитические выражения для эффективного углового распределения частиц - такого начального распределешш частиц в отсутствие рассеяния, которое приводило бы к тому же угловому распределению ионов в момент взаимодействия, что и начальное распределение при наличии рассеяния, это позволяет значительно упростить математическое моделирование генерации излучения и аналитически исследовать характеристики излучения в зависимости от параметров задачи.

Исследовано влияние начального распределения ускоренных ионов на временной ход и характеристики вторичного излучения и показано, что в режиме слабой питч-угловой диффузии начальное распределение энергичных частиц поперек магнитного поля может приводить к появлению вторичных максимумов с характерным сдвигом несколько десятков секунд. Показано, что появление вторичных максимумов излучения можно ожидать и в случае нестационарности арки, если она приводит к увеличению толщи, проходимой частицами в единицу времени, например, увеличение плотности вещества в арке или рост турбулентности.

В третьей главе рассмотрены генерация высокоэнергичного нейтрального излучения в ядерных взаимодействиях ускоренных частиц и выход нейтронов и ¡^-квантов высоких энергий за пределы солнечной атмосферы при наличии плазменной турбулентности. Установлено, что Еведение питч-угловой диффузии в модели магнитной арки сильно изменяет результаты по сравнению с упрощенными моделями, использовавшимися другими авторами

(изотропно в пространстве; изотропно в плоскости, параллельно поверхности Солнца; пучки; магнитная арка без учета питч-угловой диффузии).

Показано, что анизотропия в угловом распределении выходящих нейтронов (> 50 МэВ) возрастает с увеличением плотности энергии турбулентности в режиме слабой питч-угловой диффузии и достигает максимума при переходе к режиму сильной диффузии. Между тем, полное количество выходящих нейтронов в этом случае существенно уменьшается с усилением турбулентности. Оба эффекта вызваны усиливающейся фокусировкой ускоренных частиц в глубь Солнца. Потоки вспытечных нейтронов на орбите Земли меняются с изменением плотности энергии турбулентности слабее, чем полное число выходящих нейтронов вследствие уменьшения временной шкалы генерации. Степень анизотропии потоков нейтронов увеличивается с ростом энергии нейтрона, а спектры выходящих нейтронов ужесточаются с увеличением гелиодолгот вспышки.

Установлено, что максимум в угловом распределении выходящих ^-квантов от распада 9Г°приходится на гелиодолготысл75°, однако преимущество таких гелиодолгот над диском незначительно. Особенно сильно проявляется увеличение с ростом турбулентности роли лимбсвого поглощения ^-квантов. Таким образом, результаты, полученные ..для ^ -излучения от распада ЗТ°при наличии плазменной турбулентности, подтверждают имеющийся в литературе вывод, что ^ -излучение от распада 5й°не в состоянии обеспечить. экспериментально наблюдавшегося гелиодолгогного распределения вспышек с зарегистрированными потоками ^ -квантов с энергией > 10 МэВ и что вспышечные ^-кванты > 10 МэВ) имеют, в основном, тормозную пюироду.

Нами рассмотрена генерация тормозного излучения ультрарелятивистских электронов и показано, что его лимбовое уярчение увеличивается по меие возрастания плотности энеогии турбулентности в режиме слабой питч-угловой диффузии, а его интенсивность уменьшается,вследствие усиливающейся фокусировки уско-сенных электроноз по направлению в глубь Солнца. Тормозное ^ -излучение электронов на диске мягче, чем у лимба, причем, разность показателей спектров тормозных У1 -квантов на диске и

у лимба достигает максимума в реноме сильной питч-угловой диффузии .

Угловое распределение вторичных продуктов в режиме сильной питч-углозой диффузии практически не зависит от уровня турбулентности.

Из расчетов, выполненных для ^-излучения з линиях снятия возбуждения ядер, следует, что влияние поглощения -квантов в атмосфере Солнца на интенсивность выходящего излучения невелико и дане в режиме сильной питч-угловой диффузии доля поглощенного излучения от лобовой вспышки не превышает . 207,.

Различное поведение рассматриваемых нами четырех видов высокоэнергичного нейтрального излучения вспышек в зависимости от параметров области распространения частиц в солнечной атмосфере дает возможность для диагностики как характеристик ускоренных частиц в атмосфере Солнца, так и вспышечной плазмы.

В четвертой главе дается интерпретация наблюдательных данных по вспышкам 21.06.80 и 03.06.82, для которых были зарегистрированы высокоэнергичные нейтроны и ^ -кванты.

Пои интерпретации [I, 2] наблюдательных данных по высокоэнергичному нейтральному излучению от вспышки 21.06.80 использовались простейшие модели генерации излучения и предполагалось, что частицы ьсех энергий тормозятся мгноьенно. При этом спектр ионов, ускоренных на импульсной фазе, не мог быть степенным, а долкзн ремсо укручаться с ростом энергии. Мы рассмотрели генерацию нейтронов и ^ -излучения от распада ЗТ° во время вспышки 21.06.80 в нашей модели и показали, что при достаточно слабой питч-угловой диффузии экспериментальные данные можно согласовать с результатами вычислений при отсутствии обрезания в первичном степенном спектре ускоренных частиц. При этом область возможных значений варьируемых параметров получается узкой: уровень турбулентности М-/(Вс/201')<л Ю-8 - Ю-7, показатель спектра ускоренных ионов Бр= 3,4-3,7, полное число ионов Н ( >30 МэВ)

градиент магнитного поля должен быть достаточно боль-

ним ЫВ/сЫ/Вс > 1,25-10 см . Для объяснения малых характерных времен ЯП спада скорости генерации ядерных ^ -линий приходится учитывать возбуждение циклотронной неустойчивости и рассеЛние ускоренных частиц с энергией ,<2> 10 М&В на самосогласованной турбулентности.Тогда характерное время генерации ^ -линий определяет корональное значение поля Зс~ 500 Гс, а требование, чтобы ускоренные частицы с анергией >, 100 МэВ не раскачивали циклотронной неустойчивости,определяет объем аркады V ~ Ю^ см-3 и температуру фоновой плазмы Т л; 10® °К. Рассчитанные потоки излучения для одного из возможных наборов значений параметров представлены на рис Л. К другой возможности объяснения данных наблюдений мы приходим при высоком уровне турбулентности /(В^/85Т) > Ю"4. Тогда требуется спектр ускоренных протонов с показателем йр= 2,8...3,0, обрезанный на энергии Емдх= 300...500 МэВ и К1р( >30 МэВ) ^ Ю33. Заметим, что в этом вариа}гге мы приходим к виду первичных спектров, полученному в [[I, 2].

Важнейшей особенностью высокоэнергичного нейтрального излучении от вспышки 03.06.82 язилось существование второго максимума во временном ходе ^ -излучения от распада ЗТ°, наблюдавшегося через ^ 60 с после окончания импульсной фазы (рис.2). При интерпретации наблюдательных данных по вспышке 03.06.82 авторы 2^ предполагали, что нейтроны генерируются одновременно с ядерными ^-линиями на импульсной фазе . частицами с резко укручающимся спектром, а второй максимум

^ -излучения от распада 5Г° вызван энергичными ионами, ускоренными еще на одной, длительней, фазе ускорения. Аналогично вспышке 21.06.80 мы показали, что при достаточно слабой питч-угловей диффузии экспершентальные данные.по вспышке 03.06.82 мокно согласовать с результатами вычислений при ускорении зсех частиц на импульсной фазе и отсутствии обрезания в первичном степенном спектре ускоренных частиц. Вторичный максимум ^-излучения ст распада 5Т-мезонов может объясняться нестационарными процессами, происходящими в арке после окончания импульсной фазы, например, быстрым напас-

too

3 2

M, счЁты-

-i

а)

ч

h '

у

rv /

/ А

Р^сротон-МэЬ^см2, 8)

(Ж8-20-0И9.-26 UT

✓ - -i

-L\

n

\

\

\

\

V

С 2 СО 400 600 SCO "ь,с, после OH8:20UT

^оо вх;мэв

Рис.1. Вспышка 21.06.80: (а) скорость счета прибораБММ

( > 10 МэЗ); (б) энергетический спектр ^-излучения ( > 10 МэВ). на импульсной фазе.

#

10

1^00ИзВ))Сротон-МзВ

1 -2 -1

О too 2 СО 300 400

-t^c,ПОСЛЕ .жгнат

Рис.2. ^ -излучение с энергией квантов 100 МэВ душ вспыи-

ки 03.06.82.

танием МГД-турбулентности или плотности Еещества (рис.2). К альтернативной возможности объяснения наблюдательных данных по вспышке 03.06.82 мы приходим при высоком уровне турбулентности .здесь мы получаем вариант типа рассмотренного в [I, 2].

0СН0ВШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние плазменной турбулентности на характер распространения ускоренных вспышкой ионов и ультрарелятивистских электронов в арочной магнитной ловушке в солнечной атмосфере. В режимах слабой и сильной питч-угловой диффузии рассмотрены зависимости характерного времени спада скорости генерации вторичных продуктов и степени анизотропии углового распределения вступающих во взаимодействие ионсв от уровня МГД-турбулентности и от параметров арки. Показано, что время спада скорости генерации излучения достигает минимума, а анизотропия в угловом распределении ионов в момент взаимодействия - максимума, в случае, промежуточном между ре;пшами слабой и сильной питч-угловой диффузии.

2. Рассчитан процесс генерации и выход высокоэнергичного нейтрального излучения при наличии МГД-турбулентности для различных режимов последней. Показано, что усиление турбулентности приводит к увеличению анизотропии в угловом распределении выходящих за пределы солнечной атмосферы высокоэнергичных нейтронов и тормозного излучения ультрарелятивистских электронов. Интенсивность потоков выходящих нейтронов и тормозного излучения электронов тем меньше, чем выше уровень турбулентности. Доказано, что даже при наличии МГД-турбулентности анизотропия в угловом распределении ^ -излучения от распада ЗГ°-мезонов недостаточна для объяснения эффекта лимбово-го уярчения вспышечного Еысокоэнергичного ^ -излучения. Усиление МГД-турбулентности приводит к значительному увеличению лимбового поглощения ^ -квантов от распада 5Г -мезонов.

3. Показано, «го данные по высокоэнергичному нейтральному излучению вспышек 21.06.80 и 03.06.82 могут быть объяснены моделью, в которой ускорение всех частиц происходит на импульсной фазе, а спектр ускоренных ионов - степенной без обрезания, вплоть до энергий 1000 МэВ. Особенностью этой модели является достаточно слабая nv/гч-угловая диффузия. Получены возможные характеристики плазмы для вспышки 21.06.80. Альтернативной возможностью объяснения данных по двум вспышкам является модель с сильной питч-угловой диффузией и резко вручающимися спектрами ускоренных на импульсной фазе частиц.

4. Показано, «то нестационарные процессы, развивающиеся во вспышке после окончания импульсной фазы, могут приводить к появлению вторичных задержанных (до нескольких десятков с) максимумов высокоэнергичного нейтрального излучения. Дано объяснение второму максимуму во временном ходе высокоэнергичного ^-излучения от вспышки 03.06.82.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кочаров Г.Е., Манджавидзе Н.Э., Гугленко В.Г. Генерация нейтронов и ^ -излучения от распада ЗС°-мезонов направленными потоками ускоренных в солнечных вспышках частиц.

Препринт ФТИ-1088, Л., 1986, 27 с.

2. Kocharov G.E., Mandzhavidze U.Z., Guglenko V.G.,. High-energy neutron and gamma-quanta generation in the flare loops. - Preprint FTI.AN SSSR, U.1169, Leningrad, 1987, 22p.

3. Кочаров Г.E., Гугленко В.Г., Ефимов Ю.Е., Коваль-цов Г.А., Кочаров Л.Г., Манджавидзе Н.З., Терехов М.М. Характеристики солнечного ускорителя частиц по даннъм регистрации нейтронного и ¡C-излучения.- Изв. АН СССР, сер.физ., 1988, т.52, № 12, с.2384-2387.

4. Gueglenko V.G., Kocharov G.K., Xovaltsov G.a., Kocharov L.C., Mandzhavidze N.Z., Generation of high-energy neutral radiation in flare loops: II.Monte Carlo Simulation and Comparison with observationsSolar Phyaica, 1990, v.125, p.91-123.