Пространственная структура и динамика микроволновых вспышечных петель

Резникова, Вероника Эдуардовна

Пространственная структура и динамика микроволновых вспышечных петель тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Резникова, Вероника Эдуардовна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.03.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по астрономии на тему «Пространственная структура и динамика микроволновых вспышечных петель»

Автореферат диссертации на тему "Пространственная структура и динамика микроволновых вспышечных петель"

На правах рукописи

РЕЗНИКОВА Вероника Эдуардовна

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА И ДИНАМИКА МИКРОВОЛНОВЫХ ВСПЫШЕЧНЫХ ПЕТЕЛЬ

01.03.02 — астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород, 2005

Работа выполнена в Федеральном государственном научном учреждении "Научно-исследовательский радиофизический институт" Федерального агентства по науке и инновациям (ФГНУ НИРФИ Роснауки), г. Нижний Новгород.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, с.н.с. МЕЛЬНИКОВ Виктор Федорович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор ЗАЙЦЕВ Валерий Васильевич

Ведущая организация:

Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН (г. Иркутск)

Защита состоится 4 октября 2005 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.161.01 при ФГНУ НИРФИ, по адресу: 603950, Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, 25.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГНУ НИРФИ.

Автореферат разослан 3 августа 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук ШЕЙНЕР Ольга Александровна

кандидат технических наук

А.В. Калинин

хтт

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Микроволновое излучение (1см < Л < 10см) солнечных вспышек несет важную Информацию о процессах ускорения в солнечной короне, поскольку это излучение генерируется энергичными электронами, ускоренными во время вспышки. Хорошо известно [1*, 2*], что основным механизмом солнечных широкополосных микроволновых всплесков является гиросинхротронное излучение среднерелятивистских электронов (энергии от десятков до сотен кэВ), захваченных во вспы-шечную петлю. Данный механизм представляет собой мощный инструмент для диагностики физических условий во вспышечной петле, а также характеристик функции распределения энергичных электронов в источнике.

Первые работы по изучению пространственного распределения микроволнового излучения были сделаны более двадцати лет назад с помощью таких инструментов, как Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT) и Very Large Array (VLA). В целом наблюдения показали достаточно сложную структуру микроволновых источников. Однако в некоторых случаях наблюдались и про-сгые структуры, которые вместе с На и мягкими рентгеновскими наблюдениями позволяли отождествлять их с простыми биполярными магнитными петлями. Марш и Хёфорд [3*], Кунду и др. [4*] впервые сообщили о двух различных типах распределения микроволнового излучения: одиночных компактных источниках в вершине петли и двойных источниках с пиками яркости вблизи оснований магнитной арки.

Впоследствии было много публикаций на эту тему, связанных как с наблюдениями, так и с теоретическим моделированием (см. обзоры [1*, 2*]). Основные выводы, сделанные из модельных расчетов, заключались в следующем: источник в вершине должен наблюдаться на низких частотах, на которых он является оптически толстым, а источники вблизи оснований - на более высоких часто-jax, в оптически топком режиме [2*, 5*-7*]. Однако, проверить эти выводы в мо время (80-е - начало 90-х годов) не представлялось вошожным, так как наблюдения на WSRT и VLA проводились на

одной фиксированной частоте и были эпизодическими, поскольку эти инструменты не предназначались специально для солнечных исследований.

Исследование спектральной эволюции континуального микроволнового излучения вспышек до недавнего времени проводилось по наблюдениям интегрального потока Солнца. Было обнаружено динамическое уплощение частотного спектра в течение фазы роста и фазы спада импульсных микроволновых всплесков в оптически тонкой области [8*]. В большинстве событий такое уплощение сопровождается одновременным смягчением жесткого рентгеновского (HXR) спектра на фазе спада интенсивности всплесков [9*]. Эти закономерности хорошо объясняются в рамках модели "захвата с высыпанием" (trap + precipitation), рассматриваемой для случая нестационарной инжекции, когда учитывается уплощение энергетического спектра захваченных электронов на низких энергиях из-за кулоновских столкновений и различие в эволюции спектров инжектируемых и захваченных электронов [8*, 9*]. В работе [10*] показано, что важную роль в динамике микроволнового спектра может играть также питч-угловое распределение нетепловых электронов во вспышечной петле.

Однако физические модели радиоисточника, используемые для объяснения этих закономерностей, не учитывают возможной неоднородности как магнитного поля, так и пространственного распределения электронов по петле. Более того, сам источник может оказаться многокомпонентным. Как показали исследования, выполненные по наблюдательным данным ССРТ [23*] и Бернского университета, изменения спектра в таких многокомпонентных событиях всегда связаны с изменением пространственной структуры области генерации [11*]. Поэтому знание о пространственной структуре источника и его динамике является принципиально важным для получения новых сведений об ускоренных электронах.

блюдаемые параметры позволят получить знание о таких важных для физики вспышек характеристиках, как число, энергетический спектр и степень питч-угловой анизотропии электронов высоких ■энергий в разных участках вспышечной петли.

Возможность ответить на эти вопросы возникла только недавно, в связи с появлением современных наземных и космических инструментов, позволяющих получать данные с соответствующим высоким пространственным, спектральным и временным разрешением.

На солнечном радиогелиографе Нобеяма (Япония) [12*] с 1996 года начались наблюдения одновременно на двух высоких частотах: 17 ГГц и 34 ГГц с высоким угловым (10" и 5", соответственно) и временным (0,1 с) разрешением. Наличие двух рабочих частот дает возможность извлекать информацию о наклоне частотного спектра, и, следовательно, об оптической толщине в разных частях вспышечной петли.

В течение 23-го цикла солнечной активности на радиогелиографе проведены наблюдения большого количества вспышек, некоторые из которых имели радиоисточники очень больших размеров (до 100") и были хорошо разрешены гелиографом. Уже первые сообщения, связанные с изучением пространственного распределения радиояркости на этом наблюдательном материале [2, 13*], дали неожиданные результаты, показав несоответствие между наблюдениями и модельными расчетами распределения оптически тонкого микроволнового излучения по петле.

Результаты такого анализа позволяют получать количественные физические ограничения на модели ускорения/инжекции и распространения частиц в солнечных вспышках [4, 7], а также на модели и типы МГД-колебаний во вспышечных петлях.

Колебания корональных петель непосредственно наблюдают-

ся в крайнем ультрафиолетовом излучении [14*-16*] телескопом EIT на борту космической обсерватории Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) и телескопом космического аппарата Transition Region and Coronal Explorer (TRACE). Однако временного разрешения этих космических инструментов недостаточно для детального исследования короткопериодических (1-20 сек) МГД-волн. В то же время, именно эти волны представляют особый интерес, т.к. они могут быть источником нагрева солнечной короны [17*].

Такие пульсации давно наблюдаются на радиотелескопах без пространственного разрешения [18*]. Но для выявления конкретной моды МГД-колебаний, приводящих к модуляции радиоизлучения квазипериодическими пульсациями в том или ином событии, необходимо иметь информацию о размерах пульсирующей арки, о распределении амплитуды и фазы этих пульсаций по петле, а также об оптической толщине в разных частях источника. Поэтому уже первые наблюдения квазипериодических пульсаций с помощью радиогелиографа Нобеяма [19*, 6] позволили получить важную информацию, существенно суживающую возможный набор колебательных мод [20*, И, 18].

Настоящая диссертационная работа посвящена подробному исследованию вышеперечисленных вопросов на основе наблюдений, полученных с помощью радиогелиографа Нобеяма (NoRH), а также спутников Yohkoh, SOHO, CGRO и GOES.

Цель диссертационной работы: исследование пространственных характеристик микроволнового излучения одиночных вспышечных петель и получение на этой основе новой информации о физических условиях в петлях. В работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Анализ наблюдаемого распределения радиояркости и его динамики вдоль нескольких одиночных петлеобразных микроволновых источников, разрешенных радиогелиографом Нобеяма на частотах 17 и 34 ГГц.

2. Количественное сравнение результатов этого анализа с пред-

сказаниями существующих теоретических моделей.

3. Исследование пространственного распределения частотного спектрального индекса по вспышечной петле и его динамики в оптически тонкой части микроволнового спектра. Сравнение спектральной динамики микроволнового и жесткого рентгеновского излучений.

4. Выяснение особенностей пространственного распределения амплитуд и фаз квазипериодических пульсаций микроволнового излучения вдоль петли. Определение возможной моды колебаний.

Научная новизна представленных в диссертационной работе результатов прежде всего определяется использованием высококачественных наблюдательных данных, полученных на наиболее совершенных в настоящее время инструментах - солнечном радиогелиографе Нобеяма; магнитографе MDI космического аппарата SOHO; рентгеновских телескопах SXT и НХТ на спутнике Yohkoh; спектрометре рентгеновского диапазона BATSE на спутнике CGRO; детекторах мягкого рентгеновского излучения на спутниках GOES.

Новизна и оригинальность работы состоят в следующем:

1. Предшествующие исследования распределения радиояркости в отдельных вспышечных петлях, как правило, проводились на одной фиксированной частоте. В данной работе использовались одновременные наблюдения на двух частотах, что позволило впервые обнаружить микроволновые источники и вершинах петель в оптически тонкой области спектра.

2 Впервые получены закономерности динамики распределения радиояркости вдоль вспышечной петли, изучена динамика наклона спектра в различных участках петли. Ранее динамика наклона микроволнового спектра исследовалась на основе интегрального излучения без пространственного разрешения.

3. Впервые а) обнаружено относительное перераспределение амплитуд разных спектральных компонент квазипериодических пульсаций микроволнового излучения в вершине петли и в "ногах" вблизи оснований, а также б) измерен сдвиг фаз между пульсациями в этих участках.

В результате проведенного в диссертации исследования получена новая информация о пространственном распределении и динамике характеристик микроволнового излучения в одиночной вспы-шечной петле, являющейся структурным элементом вспышечной конфигурации.

Научное и практическое значение.

1. Анализ распределений радиояркости вдоль одиночных вспы-шечных петель позволил установить неоднородность пространственного распределения среднерелятивистских электронов вдоль этих магнитных петель на фазе максимума вспышек. Этот вывод, а также обнаруженные различия в динамике потока и в наклоне частотного спектра излучений, исходящих из вершины и оснований вспышечной петли, необходимо учитывать при построении количественных моделей микроволнового всплеска.

2. Детальное количественное сравнение предсказаний существующих теоретических моделей с новыми данными наблюдений выявило новые важные ограничения на модели ускорения и инжекции электронов в солнечных вспышках, что даёт существенную информацию для идентификации механизма ускорения.

3. Полученные новые данные о продольном и поперечном размерах пульсирующего радиоисточника, распределении яр-костной температуры, амплитуды и фазы осцилляций, а также о наклоне частотного спектра в разных частях осциллирующей петли накладывают новые ограничения на теоретические модели вспышечных пульсаций, что, как следствие,

обеспечит нас новым мощным инструментом диагностики магнитного поля и плотности плазмы во вспышечных петлях.

4. Разработанные методы совместного анализа данных различных наземных и космических инструментов, реализованные на языке ГОЬ с применением программ Бо^гБой, используются для дальнейших исследований природы солнечных вспышек.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

— Результат анализа распределения радиояркости вдоль протяженных вспышечных петель, заключающийся в том, что в максимуме исследованных всплесков в оптически тонкой области микроволнового спектра пик яркости находится в вершинах этих петель. Интерпретация данного факта значительным (>10 раз) возрастанием концентрации релятивистских электронов в вершинах петель.

— Обнаруженное изменение распределения радиояркости вдоль вспышечных петель во время отдельных микроволновых всплесков, состоящее в том, что от фазы роста к фазе спада всплеска максимумы радиояркости перемещаются от оснований петель к их вершине.

— Обнаруженные различия в динамике интенсивности и наклона частотного спектра излучений, исходящих из вершины и оснований вспышечной петли, состоящие в том, что в вершине петли спад интенсивности происходит медленнее, временной профиль всплеска задерживается на несколько секунд, а уменьшение спектрального индекса на фазе спада идет в 2-3 раза медленее, чем в основаниях.

— Результаты комплексного анализа квазипериодических пульсаций микроволнового излучения во время лимбовой вспышки 12 января 2000г, позволившие выявить наличие периодов Р{ с и Р'2=9 с, синхронность пульсаций с перио-

дом Р\ по всей длине петли и наличие фазового сдвига между пульсациями в вершине петли и в ее "ноге" для спектральной компоненты Рг, а также интерпретировать 16-секундные пульсации основной гармоникой радиальных быстрых маг-нитозвуковых волн.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях и симпозиумах:

- 5-й и 8-й научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород, 2001, 2004);

- Всероссийских астрономических конференциях ВАК-2001 (Санкт-Петербург, 2001) и ВАК-2004 (Москва, 2004);

- Конференциях Европейского Сообщества Солнечных Радиоастрономов СЕЭПА (Мюнхен, Германия, 2001; Скай, Шотландия, 2004);

- Российской конференции "Активные процессы на Солнце и звездах" (Санкт-Петербург, 2002);

- 10-й Европейской конференции по солнечной физике "Солнечная переменность: от ядра до внешних границ" БРМ-Ю (Прага, Чехия, 2002);

- "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 1А11-223 (Санкт-Петербург, 2004);

- Международной "Конференции по солнечно-земной физике" (Иркутск, 2004);

- Международном симпозиуме "Астрономия-2005: состояние и перспективы развития" (Москва, 2005).

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах НИРФИ, Солнечной радиоастрономической обсерватории Нобеяма (Япония), Обсерватории "Пурпурная гора" (Нанкин, Китай), Университете Уорвика (Англия).

По теме диссертации опубликовано 19 работ [1-19], в том числе

2 статьи в рецензируемых журналах [9, 11] и 11 статей в сборниках трудов Российских и международных научных конференций.

Личный вклад автора. В главах 1 и 2 автор разрабатывал методику анализа, создавал необходимое программное обеспечение, проводил отбор событий, обработку и анализ данных наблюдений, а также сравнение вновь полученных наблюдательных закономерностей с предсказаниями теоретических моделей. В главе

3 автору принадлежит обнаружение пульсаций, проведение микроволновой и рентгеновской диагностики. Во всех исследованиях, изложенных в работе, автор диссертации принимал активное участие в обсуждении постановки задачи и интерпретации результатов анализа.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация содержит 31 рисунок, 2 таблицы и список из 102-х библиографических наименований. Общий объем диссертации 116 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во Введении показаны актуальность и цель данной работы, сформулированы задачи исследований, кратко изложено содержание работы, приведены основные результаты, представленные к защите, показаны ее новизна, научная и практическая значимость и обоснованность положений диссертации.

Глава 1 посвящена исследованию пространственной структуры солнечных микроволновых вспышечных петель. Дан краткий исторический обзор этих исследований.

В разделе 1.1 проведен анализ распределения радиояркости вдоль протяженных вспышечных петель по данным наблюдений радиогелиографа Нобеяма. Описана методика анализа наблюдательных данных. Дана общая характеристика событий.

Поскольку нашей целью было исследование пространственной структуры микроволнового излучения вдоль одиночной вспышеч-ной петли, мы отобрали те события, которые характеризовались наличием отдельного протяженного источника на частотах 17 и 34 ГГц и хорошо различимой петлеобразной структурой на обеих частотах. Рассмотрены пять вспышечных событий (28 августа 1999г, 12 января и 13 марта 2000г, 23 октября 2001г, 24 августа 2002г), размеры микроволновых источников в которых существенно превышали ширину диаграммы направленности гелиографа. Приводятся результаты этого анализа.

Основной результат состоит в том, что максимум распределения радиояркости в течение главного пика всплеска находится вблизи вершины петлеобразной структуры на обеих частотах. Все микроволновые источники имели отрицательный наклон спектра между 17 и 34 ГГц и поэтому являлись оптически тонкими, по крайней мере, на частоте 34 ГГц.

Раздел 1.2 содержит детальное количественное сравнение результатов анализа с предсказаниями известных из литературы модельных расчетов [2*, 5*, б*]. Сделан вывод, что основной результат анализа противоречит существующим теоретическим моделям микроволнового излучения, предполагающим однородное распределение нетепловых электронов вдоль магнитной петли с неоднородным магнитным полем. Согласно этим предсказаниям максимумы радиояркости должны находится ближе к основаниям вспышечной петли, а минимумы - около вершины петли для частот, на которых протяженный источник является оптически тонким.

В подразделе 1.2.1 проведен расчет распределения электронной плотности и радиояркости на частоте 34 ГГц вдоль петли, находящейся на лимбе для трех типов питч-углового распределения: пучкового (вдоль силовых линий магнитного поля), изотропного и распределения типа "pancake" (перпендикулярно к полю).

Распределения гиросинхротронного излучения вдоль модельной петли вычислялись с использованием точных формул [21*, 22*]. Вклад тормозного механизма не учитывался, т.к. при температуре в петле 107 К оптическая толщина источника тормозного излучения на этой частоте ту/ 1 при всех разумных значениях плотности плазмы по < 3 х 10й см-3 и геометрической толщины петли Ь < 2 х 109 см. Сделан вывод, что наиболее правдоподобное объяснение оптически тонкого источника в вершине - повышенная концентрация среднерелятивистских электронов в верхней части петли.

Раздел 1.3 содержит основные выводы главы 1 и их обсуждение. Согласно проведенным в разделе 1.2 расчетам, повышенная концентрация в верхней части может создаваться благодаря ин-жскции частиц в вершине петли с анизотропией перпендикулярно к силовым линиям магнитного поля. Инжекция такого типа предполагается в некоторых моделях ускорения. С другой стороны, существует много моделей, предполагающих ускорение и инжек-цию, идущих вдоль петли или изотропно. Мы показали, что для рассматриваемых событий случай инжекции вдоль поля исключен.

Таким образом, режимы инжекции и параметры магнитной ловушки сильно сказываются на распределении энергичных электронов, которое, в свою очередь, определяет характер пространственного распределения микроволнового излучения вдоль вспы-шечных петель.

Другая возможность создания повышенной концентрации высокоэнергичных электронов в вершине петли - значительные потери захваченных частиц в нижней части магнитной арки. Причинами потерь могут быть: а) кулоновские столкновения, возрастающие с ростом плотности фоновой плазмы или б) рассеяние на локальной волновой турбулентности (вистлеры или др.). Эти эффекты вместе с эффектом конуса потерь могут создавать повышенную анизотропию питч-углового распределения электронов поперек поля в верхней части ловушки.

В главе 2 рассмотрены вопросы пространственной и спектральной динамики микроволнового излучения протяженных вспы-

шечных петель. Основной особенностью методики анализа микроволнового излучения в этой главе являлось то, что мы анализировали излучение, приходящее из различных частей одной и той же вспышечной петли. Рассматривалось также излучение в жестком рентгеновском диапазоне (НХИ), зарегистрированное на космическом аппарате СОНО/ВАТБЕ.

В разделе 2.1 исследована динамика распределения радиояркости во вспышечной петле. Показано, что во время отдельных всплесков микроволнового континуального (гиросинхротронного) излучения происходит существенное изменение пространственного распределения интенсивности оптически топкого излучения вдоль петли. А именно, от фазы роста к фазе спада всплеска максимумы радиояркости перемещаются от оснований петель к их вершине.

Исследованы закономерности динамики плотностей потоков излучения, приходящего из разных частей пяти исследуемых вспы-шечных петель, а также динамики отношения Рьт/Ррр плотностей потоков из вершины Рит и оснований Ррр петель.

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 пика 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.

Показано, что плотность потока излучения на частоте 17 ГГц превышает плотность потока на частоте 34 ГГц в течение главной фазы всплеска во всех частях петель (на 45 — 114% в вершинах петель), за исключением вершины петли 12 января 2000г и нижнего основания петли 24 августа 2002г. Следовательно, практически все части радиоисточников являлись оптически тонкими, по крайней мере на / = 34 ГГц.

Наиболее интересной особенностью эволюции отношения

Рьт/^рр является то, что оно медленно растет на фазе спада всплесков на обеих частотах сразу после пика плотности потока в основаниях. Величина прироста варьируется от десятков процентов до четырех раз.

Раздел 2.2 посвящен исследованию эволюции микроволнового спектрального индекса в разных частях петли. Обнаружено непрерывное уплощение микроволнового спектра во всех исследованных событиях и во всех участках петли оптически тонкого источника, включая фазу спада, на которой спектр жесткого рентгеновского излучения, наоборот, становится круче. Это подтверждает предыдущие результаты, полученные для интегрального излучения вспышек.

Обнаружено, что в основаниях вспышечной петли частотный спектр круче (на Да ~ 0,5 — 1) и уплощение спектра на фазе спада идет быстрее в 2-3 раза, чем в вершине.

Раздел 2.3 содержит основные выводы главы 2 и их обсуждение. Сделан вывод, что обнаруженное перераспределение радиояркости во вспышечной петле свидетельствует о перераспределении концентрации среднерелятивистских электронов с ее относительным увеличением в вершине, а также о развитии в магнитной петле питч-угловой анизотропии среднерелятивистских электронов поперек поля.

Проведено обсуждение физических причин вновь обнаруженных спектральных закономерностей. Для согласования более высоких значений спектральных индексов с их более быстрой эволюцией, рассмотрены следующие физические эффекты: а) влияние неоднородности магнитного поля в петле; б) эффект Разина; в) вклады в радиоизлучение от захваченных и высыпающихся электронов.

Глава 3 посвящена пульсациям см-мм излучения вспышечной арки с периодами порядка 10 сек.

В разделе 3.1 описан анализ данных наблюдений лимбовой вспышки 12 января 2000г., зарегистрированной на радиогелиографе Нобеяма. Этот анализ выявил наличие квазипериодических пульсаций микроволнового излучения. Рассмотрены пульсации в

интегральном излучении. Период пульсаций 14 - 17 сек., глубина модуляции порядка 15%. Пики пульсаций совпадают с пиками в жестком рентгеновском излучении (согласно Yohkoh/HXT). Представлена пространственная структура радио- и рентгеновских источников этой вспышки. Определены продольный и поперечный размеры микроволнового источника по данным радиогелиографа на частоте 34 ГГц: длина вспышечной петли L ~ 2.5 х 109 см ( 34"), а ширина на половине интенсивности d «s 6 х 108 см ( 8").

Представлены результаты исследования пульсаций в разных частях вспышечной петли. К ним относятся: 1) наличие двух главных спектральных компонент Р\ = 14 — 17 сек. и Р2 = 8 — 11 сек., причем Р\ более выражена в апексе петли, а Р2 - в "ногах" петли; 2) фазовый сдвиг Ац> w Р2/4 сек между пульсациями в вершине петли и северном основании для спектральной компоненты Р2 и отсутствие такового для компоненты Р\.

Описана микроволновая диагностика, в результате которой сделана оценка параметров плазмы внутри вспышечной петли: концентрация фоновой плазмы по « 10й см 3, и магнитное поле В яз 100 Гс в верхней части и В rs 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. Исходя из глубины модуляции наблюдаемого излучения сделаны оценки амплитуды вариаций величины и направления магнитного поля петли.

В разделе 3.4 описаны возможные быстрые магнитозвуковые (БМЗ) моды линейных МГД-колебаний цилиндрической трубки магнитного потока, заполненной однородной плазмой. Рассмотрены радиальная („sausage"), изгибная („kink") и балонная моды.

В разделе 3.5 параметры плазмы, полученные из микроволновой диагностики, используются для оценки характерных скоростей: альвеновских Cao — 600 км/сек, Сде = (3,1 — 3,6) х 103 км/сек и звуковых Cso = (2,3 — 4,4) х 102 км/сек, Cse = (1,6 — 2,3) х 102 км/сек; 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. ^

Приведены результаты расчета дисперсионных кривых различных мод МГД-колебаний, существующих в прямом магнитном цилиндре с приведенными выше характерными скоростями. Показано, что период Рх = 16 сек соответствует основной гармонике радиальной БМЗ моды. Эта мода имеет максимальное возмущение магнитного поля в апексе петли и узлы в основаниях. Действительно, с помощью Фурье-анализа было показано, что все части анализируемой петли наблюдались осциллирующими синфазно с этим периодом.

Вторая компонента Р2 = 9 сек может ассоциироваться с несколькими колебательными 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.

Раздел 3.6 содержит основные выводы главы 3.

В Заключении кратко сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты работы

I. Обнаружено, что в исследованных солнечных вспышках максимум радиояркости микроволнового излучения в оптически тонкой области спектра находится в вершине петель. На основе этого наблюдательного факта, а также численного расчета кинетики энергичных электронов, инжектируемых в магнитную петлю, сделан вывод, что пространственное распределение среднерелятивистских электронов вдоль протяженных петель на фазе максимума солнечной вспышки является сильно неоднородным с повышенной концентрацией (более, чем в 10 раз) в верхней части петли. Этот вывод является новым важным ограничением на модели ускорения

электронов в солнечных вспышках.

II. Обнаружено, что за время отдельных пиков излучения происходит существенное изменение пространственного распределения микроволнового излучения вдоль вспышечной петли: от фазы роста к фазе спада всплеска максимумы радиояркости перемещаются от оснований петель к их вершине. Сделан вывод, что такое перераспределение радиояркости свидетельствуют о перераспределении концентрации сред-нерелятивистских электронов с ее относительным увеличением в вершине.

III. Найдены различия в динамике потока, а также в наклоне частотного спектра излучений, исходящих из вершины и оснований вспышечной петли, а именно: а) более медленный спад интенсивности и наличие задержек (несколько секунд) временного профиля микроволнового излучения из вершины петли относительно излучения из ее оснований; б) частотный спектр в основаниях круче (отличие в спектральном индексе 0,5-1); в) уплощение спектра в основаниях петли идет быстрее (в 2-3 раза). Показано, что эти три особенности можно согласовать, если учесть неоднородность магнитного поля во вспышечной петле.

IV. Обнаружены и исследованы пульсации микроволнового излучения во время лимбовой вспышки 12 января 2000г. с периодами 16 с и 9 с. Установлена синхронность пульсаций с периодом 16 с по всей длине петли и наличие фазового сдвига между пульсациями в ноге и вершине петли для 9-секундной компоненты. Сделаны оценки магнитного поля и плотности плазмы во вспышечной петле. Проведен численный расчет дисперсионных кривых различных мод МГД-колебаний для модельной вспышечной петли с параметрами, полученными из микроволновой и рентгеновской диагностики. Показано, что 16-секундные пульсации уверенно объясняются в рамках основной гармоники радиальной моды быстрых магнитозвуковых волн, имеющей узлы в осно-

ваниях и пучность в вершине.

Список работ по теме диссертации

1. Мельников В.Ф., Резникова В.Э. Пространственная структура и динамика микроволнового излучения солнечных вспышек. // Труды 5-й научной конференции по радиофизике, 7 мая 2001. - Нижний Новгород - 2001 - С. 116-117.

2. Melnikov V.F., Shibasaki К., Yokoyama T., Nakajima H., Rez-nikova V.E. Loop-top nonthermal microwave source in extended flaring loops: evidence from 17 GHz and 34 GHz NoRH observations. // Abstracts of the CESRA workshop on Energy Conversion and Particle Acceleration in the Solar Corona, July 2-6, 2001. - Munich, Germany, 2001. - P.17.

3. Резникова В.Э., Шибасаки К., Йокояма Т., Накаджима X., Мельников В. Ф. Пространственное распределение яркости см-мм- излучения в протяженных вспышечных петлях. // Тезисы докладов Всероссийской астрономической конференции, 6-12 августа 2001. - С.-Петербург: НИИХ СпбГУ, 2001. - С.152.

4. Мельников В.Ф., Резникова В.Э., Шибасаки К. Наблюдательные ограничения на модели ускорения и инжекции электронов во вспышках. // Труды научной конференции стран СНГ и Прибалтики "Активные процессы на Солнце и звездах", 1-6 июля 2002. - С.-Петербург, 2002. - С. 221-224.

5. Мельников В.Ф., Резникова В.Э., Йокояма Т., Шибасаки К. Спектральная динамика среднерелятивистских электронов в протяженных вспышечных петлях. // Труды научной конференции стран СНГ и Прибалтики "Активные процессы на Солнце и звездах", 1-6 июля 2002. - С.-Петербург, 2002. - С. 87-90.

6 Мельников В.Ф , Резникова В.Э., Шибасаки К. Пульсации см-мм излучения вспышечной арки с периодом 14 секунд.

/ / Труды научной конференции стран СНГ и Прибалтики "Активные процессы на Солнце и звездах", 1-6 июля 2002. -С.Петербург, 2002. - С.225-228.

7. Melnikov V.F., V.E. Reznikova, Т. Yokoyama, К. Shibasaki. Spectral dynamics of mildly relativistic electrons in extended flaring loops. // 10th European Solar Physics Meeting "Solar Variability: Prom Core to Outer Frontiers", 9-14 September 2002, Prague. - ESA SP-506, 2002. - P.339-342.

8. Melnikov V.F., K. Shibasaki, V.E. Reznikova. Constraints on electron acceleration/injection from NoRH observations. // 10th European Solar Physics Meeting "Solar Variability: Prom Core to Outer Frontiers" 9-14 September 2002, Prague. - ESA SP-506, 2002. - P.257-260.

9. Melnikov V.F., K. Shibasaki, V.E. Reznikova. Loop-top nonthermal microwave source in extended flaring loops. // Astro-phys. J. - 2002. - V.480. - P.L185-L188.

10. Мельников В.Ф., Резникова В.Э., Шибасаки К. Динамика пространственного распределения радиояркости во вспы-шечных петлях. // Сборник докладов конференции стран СНГ и Прибалтики "Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности", 2-7 июня 2003. - Н. Новгород, ИПФРАН, 2003. - С.67-70.

И. Nakariakov V. М., Melnikov V.F. and Reznikova V.E. Global Sausage Modes of Coronal Loops. // Astron. Astrophys. - 2003. - V.412. - P. L7-L10.

12. Резникова В.Э., Мельников В.Ф., Накаряков B.M., Шибасаки К. Радиальные БМЗ колебания солнечной вспышечной арки. // Труды 8-й научной конференции по радиофизике, 7 мая 2004, ННГУ, Н.Новгород, под ред. Якимова А.В. -Н.Новгород, ТАЛАМ, 2004. - С.66-67.

13. Резникова В.Э., Мельников В.Ф., Шибасаки К. Эволюция распределения радиояркости вдоль протяженных вспышеч-ных петель. // Труды 8-й научной конференции по радио-

физике, 7 мая 2004, ННГУ, Н.Новгород, под ред. Якимова А.В. - Н.Новгород, ТАЛАМ, 2004. - С.68-69.

14. Melnikov V.F., Reznikova V.E., Shibasaki К., Nakariakov V.M. Observations of sausage mode oscillations in a flaring loop. //' Proceedings IAUS 223 "Multi-wavelength investigations of solar activity", June 14-19, 2004, eds. A. V. Stepanov, E. E. Benevolenskaya and A. G. Kosovichev. - P.647-648.

15. Nakariakov V. M., Melnikov V.F., Reznikova V.E. Global sausage magnetoacoustic modes of coronal loops. // Proceedings IAUS 223 "Multi-wavelength investigations of solar activity", June 14-19, 2004, eds. A. V. Stepanov, E. E. Benevolenskaya and A. G. Kosovichev. - P. 653-654.

16. Мельников В.Ф., В.Э. Резникова, C.H. Кузнецов, И.Н. Мягкова, К. Кудела, К. Шибасаки. Жесткое рентгеновское, гамма и радиоизлучение солнечной вспышки 24 августа 2002. - Тезисы докладов на Всероссийской астрономической конференции ВАК-2004 "Горизонты Вселенной", МГУ, ГАИШ, 3-10 июня 2004г. // Труды ГАИШ, М., 2004. - Т.75 - с. 56.

17. Reznikova V.E., V.F. Melnikov, К. Shibasaki, V.M. Nakariakov. Observations of microwave oscillations with spatial resolution. / / Тезисы докладов международной "Конференции по солнечно-земной физике", Иркутск, 20-25сентября 2004. -С.21-22.

18. Мельников В.Ф., Резникова В.Э., Горбиков С.П., Шибасаки К. Распределение релятивистских электронов вдоль вспы-шечных петель по данным микроволновых наблюдений с высоким пространственным разрешением. - Тезисы докладов Восьмого съезда Астрономического Общества и Международного симпозиума "Астрономия-2005: состояние и перспективы развития". // Труды ГАИШ, М., 2005 - Т.78 - С.36.

19 Резникова В.Э., Мельников В.Ф., Накаряков В.М., Шибасаки К. Диагностика мод МГД-колебаний вспышечной петли по микроволновым наблюдениям с высоким пространственным разрешением. - Тезисы докладов Восьмого съезда

Астрономического Общества и Международного симпозиума "Астрономия-2005: состояние и перспективы развития". // Труды ГАИШ, М., 2005 - Т.78 - С.35.

Цитированная литература

1* Alissandrakis С.Е. Gyrosynchrotron emission of solar flares// Solar Phys. - 1986 - V.104. - P. 207.

2* Bastian T.S., Benz A.O. and Gary D. Radio emission from solar flare// Ann. Rev. Astron. Astrophys. - 1998 - V.36. - P. 131.

3* Marsh K.A. and Hurford G.J. Two-dimensional VLA maps of solar bursts at 15 and 23 GHz with arcsec resolution// Astrophys. J. - 1980 - V.240. - Llll.

4* Kundu M.R., Schmahl E., Velusamy T. J. Magnetic structure of a flaring region producing impulsive microwave and hard X-ray bursts// Astrophys. J. - 1982 - V.253 - P.963.

5* Petrosian V. Structure of the impulsive phase of solar flares from microwave observations. // Astrophys. J. - 1982 - V.255. - P. L85.

6* Alissandrakis C.E. and Preka-Papadema P. Microwave emission and polarization of a flaring loop// Astron. Astrophys. - 1984 -V.139. - P. 507.

V Klein K.-L. and Trottet G. Gyrosynchrotron radiation from a source with spatially varying field and density// Astron. Astrophys. - 1984 - V.141, 67.

8* Melnikov V.F. and Magun A. Spectral flattening during solar radio burst at cm-mm wavelengths and the dynamics of energetic electrons in a flaring loop// Solar Phys. - 1998 - V.178 -P.153-171

9* Melmkov V.F. and Silva A.V.R. Temporal Evolution of Solar Flare Microwave and Hard X-Ray Spectra: Evidence for Electron Spectral Dynamics// ASP Conf. series - 2000 - 206, p.371 (part I), p.475 (part II)

10* Lee J. and Gary D.E. Solar Microwave Bursts and Injection Pitch-Angle Distribution of Flare Electrons// Astrophys. J. -2000 - V.543 - P.457-471

11* Нефедьев В.П., Смольков Г.Я., Агалаков Б.В., Магун А. Спектр радиоизлучения всплесков в диапазоне 3.1-50 ГГц и их пространственная структура на частоте 5.7 ГГц// Препринт ИСЗФ - 1999 - №3-99

12* Nakajima Я., et al. The Nobeyama Radioheliograph// Proc. Of the IEEE. - 1994 - V. 82 - P. 705.

13* Nmdos A., Kundu M., and White S. Modeling of solar flaring loops// Abstracts of the CESRA workshop on Energy Conversion and Particle Acceleration in the Solar Corona, July 2-6, 2001. - Munich, Germany, 2001.

14* Nakariakov V.M., Ofman L., DeLuka E.E., Roberts В., and Davila J.M. TRACE observations of damped coronal loop oscillations: implication for coronal heating// Science. - 1999 - V.285

- P. 862-864.

15* Aschwanden M.J., Fletcher L., Schrijver C.J. ey al. Coronal loop oscillations observed with the Transition Region and Coronal Explorer// Astroph. J. - 1999 - V.520, No 2. - P. 880-894.

16* Berghmans D. and Clette F. Active region EUV transient brigh-tenings - First Results by EIT of SOHO JOP8O// Solar Phys. -1999. - V.186. - P. 207.

17* Tsiklauri D. and Nakariakov V.M. Wide-spectrum slow magne-toacoustic waves in coronal loops// Astron. Astrophys. - 2001 -V.379. - P.1106-1112.

18* Aschwanden M.J. Theory of radio pulsations in coronal loops// Solar Phys. - 1987 - V.lll. - P. 113.

19* Asai A., Shimojio M., Isobe H. et al. Periodic Acceleration of Electrons in the 1998 November 10 Solar Flare// Astrophys. J.

- 2001. - V.562. - P. L103.

20* Grechnev, V.V., White S.M., Kundu M.R. Quasi-periodic pulsations in a solar microwave burst // Astrophys. J. - 2003. - V. 588.- P. 1163-1175.

21* Ramaty R. Gyrosynchrotron Emission and Absorption in a Magnetoactive Plasma// Astrophys. J. - 1969 - V.158 - P.753-770

22* Fleishman G.D. & Melnikov V.F. Gyrosynchrotron Emission from Anisotropic Electron Distributions// Astrophys. J. - 2003 - V.587 - P.823-835

23* Grechnev V.V., Lesovoi S.V., Smolkov G.Ya., Krissinel B.B., Zandanov V.G., Altyntsev A.T., Kardapolova N.N., Sergeev R.Y., Uralov A.M., Maksimov V.R., Lubyshev B.I. The Siberian Solar Radio Telescope: the current state of the instrument, observations, and data// Solar Physics - 2003 - V.216 - P.239

Резникова Вероника Эдуардовна

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА И ДИНАМИКА МИКРОВОЛНОВЫХ ВСПЫШЕЧНЫХ ПЕТЕЛЬ

Автореферат

Подписано в печать 20. 07. 05 г. Формат 60 х 90/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1.0 Усл. п. л. 1.2. Тираж 100. Заказ 5551

Отпечатано в ФГНУ НИРФИ С03950, г. Нижиий Новгород, ул. Б. Печерская, 25

»14402

РНБ Русский фонд

2006-4 8927

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Резникова, Вероника Эдуардовна

Введение

1 Пространственная структура микроволновых источников солнечных вспышек

1.1 Наблюдения.

1.1.1 Методика анализа данных.

1.1.2 Общая характеристика событий.

1.1.3 Результаты анализа данных.

1.2 Сравнение с предсказаниями модельных расчетов 30 1.2.1 Расчет распределения электронной плотности и радиояркости вдоль петли.

1.3 Обсуждение и выводы.

2 Пространственная и спектральная динамика микроволнового излучения протяженных вспышечных петель

2.1 Динамика распределения радиояркости во вспышечных петлях.

2.1.1 Временные профили потоков радиоизлучения из разных участков петель

2.1.2 Временные профили потоков на разных частотах

2.2 Спектральная динамика микроволнового излучения в разных частях петель.

2.3 Обсуждение и выводы.

3 Пульсации см-мм- излучения вспышечной арки с периодами порядка 10 секунд

3.1 Анализ наблюдательных данных.

3.1.1 Пульсации в интегральном излучении.

3.1.2 Пространственная структура радио- и рентгеновских источников.

3.1.3 Пульсации в разных частях вспышечной петли

3.1.4 Распределение спектрального индекса по источ

3.2 Диагностика параметров плазмы в области вспышки.

3.3 Механизмы микроволновых пульсаций.

3.4 Моды МГД-колебаний корональных петель.

3.5 Расчет дисперсионных кривых для модельной петли

3.6 Выводы.

Введение диссертация по астрономии, на тему "Пространственная структура и динамика микроволновых вспышечных петель"

Микроволновое (1см < Л < 10см) излучение солнечных вспышек несет важную информацию о процессах ускорения в солнечной короне, поскольку это излучение генерируется энергичными электронами, ускоренными во время вспышки. Хорошо известно [1,2], что основным механизмом солнечных широкополосных микроволновых всплесков является гиросинхротронное излучение среднере-лятивистских электронов (энергии от десятков до сотен кэВ), захваченных во вспышечную петлю. Гиросинхротронное излучение чувствительно к величине и ориентации магнитного поля. Для данной частоты морфология микроволнового источника зависит от ориентации магнитного поля (т.е. от геометрии вспышечной области и ее положения на диске), а также от свойств нетепловых электронов (концентрации, энергетического спектра и питч-углового распределения). Благодаря этому данный механизм представляет собой мощный инструмент для диагностики физических условий во вспышечной петле, а также характеристик функции распределения энергичных электронов в источнике.

Первые работы по изучению пространственного распределения микроволнового излучения были сделаны в 80-е годы прошлого столетия с помощью таких инструментов, как Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT) и Very Large Array (VLA). В целом наблюдения показали достаточно сложную структуру микроволновых источников. Однако в некоторых случаях наблюдались и простые структуры, которые вместе с На - и SXR- наблюдениями позволяли отождествлять их с простыми биполярными магнитными петлями. Марш и Хёфорд [14], Кунду и др. [15] впервые сообщили о двух различных типах распределения микроволнового излучения: одиночных компактных источниках в вершине петли и двойных источниках с пиками яркости вблизи оснований магнитной арки.

В последствии было много публикаций на эту тему, связанных как с наблюдениями, так и с теоретическим моделированием (см. обзоры [1,2]). Основные выводы, сделанные из модельных расчетов, заключались в следующем: источник в вершине должен наблюдаться на низких частотах, на которых он является оптически толстым, а источники вблизи оснований - на более высоких частотах, в оптически тонком режиме [2, 4, 16]. Однако, проверить эти выводы в то время (80-е - начало 90-х годов) не представлялось возможным, так как наблюдения на WSRT и VLA проводились на одной фиксированной частоте и были эпизодическими, поскольку эти инструменты не предназначались специально для солнечных исследований.

Исследование спектральной эволюции континуального микроволнового излучения вспышек до недавнего времени проводилось по наблюдениям интегрального потока Солнца. Было обнаружено динамическое уплощение частотного спектра в течение фазы роста и фазы спада импульсных микроволновых всплесков в оптически тонкой области [39]. В большинстве событий такое уплощение сопровождается одновременным смягчением жесткого рентгеновского (HXR) спектра на фазе спада интенсивности всплесков [40]. Эти закономерности хорошо объясняются в рамках модели "захвата с высыпанием" (trap + precipitation), рассматриваемой для случая нестационарной инжекции, когда учитывается уплощение энергетического спектра захваченных электронов на низких энергиях из-за кулоновских столкновений и различие в эволюции спектров инжектируемых и захваченных электронов [40]. В работе [41] показано, что важную роль в динамике микроволнового спектра может играть также питч-угловое распределение нетепловых электронов во вспышечной петле.

Однако физические модели радиоисточника, используемые для объяснения этих закономерностей, не учитывают возможной неоднородности как магнитного поля, так и концентрации электронов по петле. Более того, сам источник может оказаться многокомпонентным. Как показали исследования, выполненные по наблюдательным данным ССРТ [81] и Бернского университета, изменения спектра в таких многокомпонентных событиях всегда связано с изменением пространственной структуры области генерации [42, 56]. Поэтому знание о пространственной структуре источника и его динамике является принципиально важным для получения новых сведений об ускоренных электронах.

Таким образом, одной из основных проблем адекватного построения теоретических моделей солнечных вспышек является недостаток информации о пространственном распределении яркости и частотного спектра микроволнового излучения. Эти наблюдаемые параметры позволят получить знание о таких важных для физики вспышек характеристиках, как число, энергетический спектр и степень питч-угловой анизотропии электронов высоких энергий в разных участках вспышечной петли.

На солнечном радиогелиографе Нобеяма (Япония) [10] с 1996 года начались наблюдения одновременно на двух высоких частотах: 17 ГГц и 34 ГГц с высоким угловым (10" и 5", соответственно) и временным (0,1 с) разрешением. Наличие двух рабочих частот дает возможность извлекать информацию о наклоне частотного спектра, и, следовательно, об оптической толщине в разных частях вспышечной петли.

В течение 23-го цикла солнечной активности на радиогелиографе проведены наблюдения большого количества вспышек, некоторые из которых имели радиоисточники очень больших размеров (до 100") и были хорошо разрешены гелиографом. Уже первые сообщения, связанные с изучением пространственного распределения радиояркости на этом наблюдательном материале [11; 84], дали неожиданные результаты, показав несоответствие между наблюдениями и модельными расчетами распределения оптически тонкого микроволнового излучения по петле.

Именно поэтому актуальной задачей текущего этапа развития представлений о физике солнечных вспышек является детальный анализ наблюдаемого пространственного распределения яркости и спектра микроволнового излучения, а также их динамики в различных участках вспышечной петли на основе наблюдений с высоким пространственным и временным разрешением. Кроме того, необходим комплексный анализ объекта изучения, сочетающий исследования в микроволновом диапазоне с исследованиями в других диапазонах длин волн: мягком и жестком рентгеновском, оптическом, ультрафиолетовом, гамма-излучении.

Результаты такого анализа позволяют получать количественные физические ограничения на модели ускорения /инжекции и распространения частиц в солнечных вспышках [86, 89], а также на модели и типы МГД-колебаний во вспышечных петлях [13, 93, 100].

Колебания корональных петель непосредственно наблюдаются в крайнем ультрафиолетовом излучении [5-7] телескопом Е1Т на борту космической обсерватории Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) [17] и телескопом космического аппарата Transition Region and Coronal Explorer (TRACE) [18]. Однако временного разрешения этих космических инструментов (15 сек. у SOHO/EIT и 74 сек. у TRACE) недостаточно для детального исследования короткоперио-дических (1-20 сек) МГД-волн. В то же время, именно эти волны представляют особый интерес, т.к. они могут быть источником нагрева солнечной короны [8].

Такие пульсации давно наблюдаются на радиотелескопах без пространственного разрешения [9]. Но для выявления конкретной моды МГД-колебаний, приводящих к модуляции радиоизлучения квазипериодическими пульсациями в том или ином событии, необходимо иметь информацию о размерах пульсирующей арки, о распределении амплитуды и фазы этих пульсаций по петле, а также об оптической толщине в разных частях источника. Поэтому уже первые наблюдения квазипериодических пульсаций с помощью радиогелиографа Нобеяма [12, 88] позволили получить важную информацию, существенно суживающую возможный набор колебательных мод [13, 93].

Настоящая диссертационная работа посвящена подробному исследованию вышеперечисленных вопросов на основе наблюдений, полученных с помощью Нобеямского радиогелиографа (NoRH, [10]), а также спутников Yohkoh [19], Solar and Heliospheric Observatory (SOHO, [17]), Compton Gamma Ray Observatory (CGRO, [27]) и Geosynchronous Operational Enviromental Satellites (GOES, [28]).

Цель и задачи работы

Целью данной работы является исследование пространственных характеристик микроволнового излучения одиночных вспышечных петель и получение на этой основе новой информации о физических условиях в петлях.

В работе ставятся и решаются следующие задачи:

2. Количественное сравнение результатов этого анализа с предсказаниями существующих теоретических моделей.

Научная и практическая значимость работы

2. Детальное количественное сравнение предсказаний существующих теоретических моделей с новыми данными наблюдений выявило новые важные ограничения на модели ускорения и ин-жекции электронов в солнечных вспышках, что даёт существенную информацию для идентификации механизма ускорения.

3. Полученные новые данные о продольном и поперечном размерах пульсирующего радиоисточника, распределении яркост-ной температуры, амплитуды и фазы осцилляций, а также о наклоне частотного спектра в разных частях осциллирующей петли накладывают новые ограничения на теоретические модели вспышечных пульсаций, что, как следствие, обеспечит нас новым мощным инструментом диагностики магнитного поля и плотности плазмы во вспышечных петлях.

4. Разработанные методы совместного анализа данных различных наземных и космических инструментов, реализованные на языке IDL с применением программ SolarSoft, используются для дальнейших исследований природы солнечных вспышек.

Научная новизна работы

Новизна представленных в диссертационной работе результатов определяется прежде всего использованием высококачественных наблюдательных данных, полученных на наиболее совершенных в настоящее время инструментах:

1) радиогелиографе в Нобеяме [10] с угловым разрешением 5" — 10";

2) рентгеновских телескопах SXT [61] и НХТ [60], установленных на японском спутнике Yohkoh [19] и впервые позволивших получить изображения вспышек в мягких и жестких рентгеновских лучах с угловым разрешением порядка 2,5";

3) магнитографе MDI космического аппарата SOHO [17], получающем оптические изображения объектов на Солнце с разрешением до 1";

4) спектрометре рентгеновского диапазона BATSE на спутнике CGRO [27];

5) детекторах мягкого рентгеновского излучения на геостационарных спутниках GOES [28], ведущих круглосуточные наблюдения за Солнцем.

Новизна и оригинальность работы состоят в следующем:

1. Предшествующие исследования распределения радиояркости в отдельных вспышечных петлях, как правило, проводились на одной фиксированной частоте. В данной работе использовались одновременные наблюдения на двух частотах, что позволило впервые обнаружить микроволновые источники в вершинах петель в оптически тонкой области спектра.

2. Впервые получены закономерности динамики распределения радиояркости вдоль вспышечной петли, изучена динамика наклона спектра в различных участках петли. Ранее динамика наклона микроволнового спектра исследовалась на основе интегрального излучения без пространственного разрешения.

3. Впервые а) обнаружено относительное перераспределение амплитуд разных спектральных компонент квазипериодических пульсаций микроволнового излучения в "ногах" и в вершине петли и б) измерен сдвиг фаз между пульсациями в разных участках петли.

В результате проведенного в диссертации исследования получена новая информация о пространственном распределении и динамике характеристик микроволнового излучения в одиночной вспышечной петле, являющейся элементарным блоком вспышечной конфигурации.

Обоснованность научных положений диссертации

Использование в работе высококачественных данных наблюдений в разных спектральных диапазонах значительно повысило возможности всестороннего и комплексного анализа одного и того же события и понизило возможность ошибок в интерпретации микроволновых наблюдений. Согласованность этих результатов подтверждает их достоверность и обоснованность.

Кроме того, достоверность полученных результатов определяется использованием общепринятых для исследовательских центров солнечно-земной физики во всем мире интерактивного языка для обработки данных IDL (Interactive Data Language) [78] и пакета Solar Soft Ware (SSW) [26], который включает в себя несколько сотен процедур и функций, ориентированных на задачи солнечной физики, а также программное обеспечение для обработки данных различных наземных и орбитальных солнечных инструментов.

На защиту выносятся:

1. Результат анализа распределения радиояркости вдоль протяженных вспышечных петель, заключающийся в том, что в максимуме исследованных всплесков в оптически тонкой области микроволнового спектра пик яркости находится в вершинах этих петель. Интерпретация данного факта значительным (>10 раз) возрастанием концентрации релятивистских электронов в вершинах петель.

2. Обнаруженное изменение распределения радиояркости вдоль вспышечных петель во время отдельных микроволновых всплесков, состоящее в том, что от фазы роста к фазе спада всплеска максимумы радиояркости перемещаются от оснований петель к их вершине.

3. Обнаруженные различия в динамике интенсивности и наклона частотного спектра излучений, исходящих из вершины и оснований вспышечной петли, состоящие в том, что в вершине петли спад интенсивности происходит медленнее, временной профиль всплеска задерживается на несколько секунд, а уменьшение спектрального индекса на фазе спада идет в 2-3 раза медленее, чем в основаниях.

4. Результаты комплексного анализа квазипериодических пульсаций микроволнового излучения во время лимбовой вспышки 12 января 2000г, позволившие выявить наличие периодов Р1=16 с и Р2=9 с, синхронность пульсаций с периодом Р\ по всей длине петли и наличие фазового сдвига между пульсациями в вершине петли и в ее "ноге" для спектральной компоненты Р2, а также интерпретировать 16-секундные пульсации основной гармоникой радиальных быстрых магнитозвуковых волн.

Структура и содержание работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация содержит 31 рисунок, 2 таблицы и список из 102-х библиографических наименований. Общий объем диссертации 116 страниц.

Заключение диссертации по теме "Астрофизика, радиоастрономия"

Основные результаты работы состоят в следующем.

I. Обнаружено, что в исследованных солнечных вспышках максимум радиояркости микроволнового излучения в оптически тонкой области спектра находится в вершине петель. На основе этого наблюдательного факта, а также численного расчета кинетики энергичных электронов,, инжектируемых в магнитную петлю, сделан вывод, что пространственное распределение средне-релятивистских электронов вдоль протяженных петель на фазе максимума солнечной вспышки является сильно неоднородным с повышенной концентрацией (более, чем в 10 раз) в верхней части петли. Этот вывод является новым важным ограничением на модели ускорения электронов в солнечных вспышках.

II. Обнаружено, что за время отдельных пиков излучения происходит существенное изменение пространственного распределения микроволнового излучения вдоль вспышечной петли: от фазы роста к фазе спада всплеска максимумы радиояркости перемещаются от оснований петель к их вершине. Сделан вывод, что такое перераспределение радиояркости свидетельствуют о перераспределении концентрации среднерелятивистских электронов с ее относительным увеличением в вершине.

IV. Обнаружены пульсации микроволнового излучения во время лимбовой вспышки 12 января 2000г. с квазипериодами 16 с и 9 с. Установлена синхронность пульсаций с периодом 16 с по всей длине петли и наличие фазового сдвига между пульсациями в ноге и вершине петли для 9-секундной компоненты. Сделаны оценки магнитного поля и плотности плазмы во вспышечной петле. Проведен численный расчет дисперсионных кривых различных мод МГД-колебаний для модельной вспышечной петли с параметрами, полученными из микроволновой и рентгеновской диагностики. Показано, что 16-секундные пульсации уверенно объясняются в рамках основной гармоники радиальной моды быстрых магнитозвуковых волн, имеющей узлы в основаниях и пучность в вершине.

Эти новые важные результаты, полученные на небольшом количестве вспышечных событий, показали необходимость дальнейшего исследования с использованием наблюдательных данных радиогелиографа Нобеяма на основе использованной в работе методики и созданного авторами программного обеспечения.

Для исследования мы отобрали лишь самые крупные по площади источники микроволновых всплесков из базы данных NoRH в период с 1999г. по 2002г, которые удалось идентифицировать как отдельные биполярные петли. Однако большинство солнечных вспышек характеризуется наличием сложных многокомпонентных источников [75, 85], а также мелких (< 10") источников, плохо разрешаемых радиогелиографом.

В связи с этим большой интерес представляет возможность наблюдений с использованием создаваемых в настоящее время радио-интерферометрических систем ALMA и FASR. Интерферометр мм диапазона ALMA [76] обеспечит пространственное разрешение от 0.015" до 1.4" в зависимости от конфигурации, а солнечный спектрометр-интерферометр ЕАБЯ [77] позволит получать спектры излучения из разных участков вспышечной петли в широком диапазоне (0.1-30 ГГц) с высоким разрешением по частоте (0.1-1%), по времени (10-100 мсек) и по углу (яь 20/^д угл.сек, где щ - частота наблюдений в ГГц).

Заключение

В диссертационной работе исследована пространственная и спектральная динамика микроволнового излучения в протяженных вспы-шечных петлях. Для анализа пространственного распределения радиояркости и наклона микроволнового спектра, а также их динамики использованы уникальные данные, полученные с помощью радиогелиографа см-мм-дапазона в Нобеяме. Исследование проведено для пяти протяженных петлеобразных источников солнечных вспышек, зарегистрированных на радиогелиографе МоГШ (Нобея-ма, Япония) с высоким угловым (10" — Ъ" ) и временным (до 0.1сек.) разрешением на частотах 17 и 34 ГГц.

Список источников диссертации и автореферата по астрономии, кандидата физико-математических наук, Резникова, Вероника Эдуардовна, Нижний Новгород

1. Alissandrakis C.E. Gyrosynchrotron emission of solar flares. // Solar Phys. - 1986 - V.104. - P. 207.

2. Bastian T.S., Benz A.O. and Gary D. Radio emission from solar flare. 11 Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1998 - V.36. - P. 131.

3. Petrosian V. Structure of the impulsive phase of solar flares from microwave observations. // Astrophys. J. 1982 - V.255. - P. L85.

4. Alissandrakis C.E. and Preka-Papadema P. Microwave emission and polarization of a flaring loop. // Astron. Astrophys. 1984 -V.139. - P. 507.

5. Nakariakov V.M., Of man L., DeLuka E.E., Roberts B., and Davila J.M. TRACE observations of damped coronal loop oscillations: implication for coronal heating. // Science. 1999 -V.285 - P. 862-864.

6. Aschwanden M.J., Fletcher L., Schrijver C.J. ey al. Coronal loop oscillations observed with the Transition Region and Coronal Explorer. // Astroph. J. 1999 - V.520, No 2. - P. 880-894.

7. Berghmans D. and Clette F. Active region EUV transient brightenings First Results by EIT of SOHO JOP8O. // Solar Phys. - 1999. - V.186. - P. 207.

8. Tsiklauri D. and Nakariakov V.M. Wide-spectrum slow magnetoacoustic waves in coronal loops. // Astron. Astrophys. -2001 V.379. - P.1106-1112.

9. Aschwanden M.J. Theory of radio pulsations in coronal loops. // Solar Phys. 1987 - V.lll. - P. 113.

10. Nakajima H., et al. The Nobeyama Radioheliograph. // Proc. Of the IEEE. 1994 - V. 82. - P. 705.

11. Nindos A., Kundu M., and White S. Modeling of solar flaring loops. // Abstracts of the CESRA workshop on Energy Conversion and Particle Acceleration in the Solar Corona, July 2-6, 2001. -Munich, Germany, 2001.

12. Asai A., Shimojio M., Isobe H. et al. Periodic Acceleration of Electrons in the 1998 November 10 Solar Flare. // Astrophys. J. -2001. V.562. - P. L103.

13. Grechnev, V.V., White S.M., Kundu M.R. Quasi-periodic pulsations in a solar microwave burst // Astrophys. J. 2003. -V. 588. - P. 1163-1175.

14. Marsh K.A. and Hurford G.J. Two-dimensional VLA maps of solar bursts at 15 and 23 GHz with arcsec resolution. // Astrophys. J.- 1980-V.240.-L11L

15. Kundu M.R., Schmahl E., Velusamy T. J. Magnetic structure of a flaring region producing impulsive microwave and hard X-ray bursts. // Astrophys. J. 1982 - V.253 - P.963.

16. Klein K.-L. and TYottet G. Gyrosynchrotron radiation from a source with spatially varying field and density. // Astron. Astrophys. 1984 - V.141, 67.

17. Domingo V., Fleck B., and Poland A.I. The SOHO Mission: an Overview. // Sol. Phys. 1995 - V.162 - P.l.

18. Handy B.N. et al. The transition region and coronal explorer. // Sol. Phys. 1999 - V.187 - P.229.

19. Ogawara et al. The Solar-A Mission an Overview. // Sol. Phys.- 1991 V.136 - P.10.

20. Miller et al Critical Issues For Understanding Particle Acceleration in Impulsive Solar Flares. // Jour, of Geoph. Research- 1997 V. 102 - No A7 - P. 14631.

21. Masuda S. Hard X-ray sources and the primary energy release site in solar flares. // PhD Thesis. University of Tokio 1994.

22. Fletcher L. Looptop Hard X-ray Sources. // ESA SP-448 1999 -V.2, 693-700.

23. Kundu, M.R., Nindos, A., White, S.M., and Grechnev, V. V. A multiwavelength study of three solar flares. // Astrophys. J. 2001- V.557 P.880-890

24. Dulk, G. A. Radio emission from the Sun and stars. // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1985 - V.23 - P.169-224

25. Ковалев В.А., Королев О.С. О кинетике энергичных электронов в магнитных ловушках активных областей Солнца. // Астрономический журнал 1981 - Т.58, №2 - С.383-392

26. Leach Jand Petrosian V. Impulsive phase of solar flares. I -Characteristics of high energy electrons. // Astrophys. J. 1981 -V.251 - P.781-791

27. Fletcher L. and Martens P.C.H. A model for hard X-ray emission from the top of flaring loop. // Astrophys. J. 1998 - V.505 -P. 418-431

28. Takakura T. Dynamics of electron beams in a coronal loop and the hard X-ray burst. // Sol.Phys. 1986 - V.104 - P. 363-389

29. Ramaty R. Gyrosynchrotron Emission and Absorption in a Magnetoactive Plasma // Astrophys. J. 1969 - V.158 - P.753-770

30. Melnikov V.F. and Magun A. Spectral flattaning during solar radio burst at cm-mm wavelengths and the dynamics of energetic electrons in a flaring loop. // Solar Phys. 1998 - V.178 - P.153-171

31. Melnikov V.F. and Silva A.V.R. Temporal Evolution of Solar Flare Microwave and Hard X-Ray Spectra: Evidence for Electron Spectral Dynamics.// ASP Conf. series 2000 - 206, p.371 (part I), p.475 (part II)

32. Lee J. and Gary D.E. Solar Microwave Bursts and Injection Pitch-Angle Distribution of Flare Electrons // Astrophys. J. 2000 -V.543 - P.457-471

33. Нефедьев В.П., Смольков Г.Я., Агалаков Б.В., Магун А. Спектр радиоизлучения всплесков в диапазоне 3.1-50 ГГц и их пространственная структура на частоте 5.7 ГГц. // Препринт ИСЗФ 1999 - №3-99

34. Stepanov, А. V.; Tsap, Y. Т. Electron-Whistler Interaction in Coronal Loops and Radiation Signatures. // Solar Physics 2002- V. 211, Issue 1 P. 135-154

35. Kane S.R. et al. Acceleration and confinement of energetic particles in the 1980 June 7 solar flare. // Astrophys. J. 1983- V.271 P.376-387

36. Kiplinger A.L. et al Recurrent pulse trains in the solar hard X-ray flare of 1980 June 7. // Astrophys. J. 1983 - V.273 - P.783-794

37. Nakajima H., Kosugi Т., Kai K., Enome S. Successive electron and ion accelerations in impulsive solar flares on 7 and 21 June 1980. // Nature 1983 - V.305 - P.292-294

38. Urpo S. et al. Solar Radio Flares 1989-1991. // HUT Report 11, Ser.A, 1992

39. Rosenberg H. Evidence for mhd pulsations in the solar corona. // Astron. and Astrophys. 1970 - V.9 - P. 159-162

40. Зайцев В. В. и Степанов А.В. О происхождении пульсаций жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек. // Письма в АЖ 1982 - Т.8 - С.248-252

41. Зайцев В.В. и Степанов А.В. Элементарные вспышечные всплески и диагностика эруптивной плазмы. // Письма в АЖ- 1989 Т.15 - С.154-159

42. Sakai J.-I., de Jager С. Solar Flares and Collisions Between Current-Carrying Loops Types and Mechanisms of Solar Flares and Coronal Loop Heating. // Space Science Reviews. 1996 -V.77 - P. 1-192

43. Zaitsev V.V., Stepanov A. V., Urpo S., Pohjolainen S. LRC-circuit analog of current-carrying magnetic loop: diagnostics of electric parameters. // Astronomy and Astrophysics 1998 - V.337- P.887-896

44. Stepanov A.V., Urpo S., Zaitsev V.V. Diagnostics of solar flare and evaporated plasma using mm-wave emission. // Solar Physics- 1992 V.140 - P. 139-148

45. Nobeyama Radioheliograph Catalog of Events. NRO, Minamimaki, Minamisaku, Nagano 384-1305, Japan, 2002.

46. Агалаков В. В. Особенности эволюции микроволнового излучения солнечных активных областей и вспышек. Кандидатская диссертация. ИСЗФ СО РАН 2000.

47. Somov В. V., and Kosugi Т. Collisionless Reconnection and High-Energy Particle Acceleration in Solar Flares // Astrophys. J. -1997 V.485 - P.859-868

48. Aschwanden M.J. Particle acceleration and kinematics in solar flares A Synthesis of Recent Observations and Theoretical Concepts // Space Science Reviews. - 2002 - V.101 - Issue 1 -P. 1-227

49. Yokoyama Т., Nakajima H., Shibasaki K., Melnikov V. F. and Stepanov A. V. Microwave Observations of the Rapid Propagationof Nonthermal Sources in a Solar Flare by the Nobeyama Radioheliograph // Astrophys. J. L. 2002 - V.576, Is.l, P.L87-L90

50. Kosugi Т., Makishima K., Murakami T. et al. The Hard X-ray Telescope (HXT) for the SOLAR-A Mission. // Solar Phis. 1991- V.136 P. 17-36

51. Tsuneta S., Acton L., Bruner M. et al // The Soft X-ray Telescope (HXT) for the SOLAR-A Mission. // Solar Phis. 1991- V.136 P.37-67

52. Twiss R.Q. // Phylosophycal Magazin. 1954 - V.45 - P.249

53. Разин В. А. К теории спектров радиоизлучения дискретных источников на частотах ниже 30 МГц. // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1960 - Т.З - С.584-594

54. Разин В.А. О спектре нетеплового космического радиоизлучения. // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1960 - Т.З - С.921-936

55. Fleishman G.D. & Melnikov V.F. Gyrosynchrotron Emission from Anisotropic Electron Distributions // Astrophys. J. 2003 - V.587- P.823-835

56. Melnikov V. F., Gary D. E., к Nita G. M. A New Radio Diagnostic for Razin Suppression. // Astrophys. J. 2005 (в печати)

57. Железняков В. В. Излучение в астрофизической плазме. 1997- М.: "Янус-К".

58. Melrose D.B., Brown J. С. Precipitation in trap models for solar hard X-ray bursts // Mon. Not. R. Astron. Soc. 1976 - V.176 -P. 15-30

59. Dulk G.A., Marsh K.A. Simplified expressions for the gyrosynchrotron radiation from mildly relativistic, nonthermal and thermal electrons. // Astrophys. J. 1982 - V.259 - P.350-358

60. Зайцев В.В., Степанов А.В. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1975 - Т.37 - С.З

61. Edwin Р. М., Roberts В. Wave propagation in a magnetic cylinder // Sol. Phys. 1983 - V.88 - P.179-191

62. Yoshimori M., Okudaira К., Hirashima Y. et al. The Wide Band Spectrometer on the SOLAR-A // Solar Phis. 1991 - V.136 -P.69-88

63. Гинзбург В.Л. // Успехи физических наук. 1953 - Т.51 - С.343

64. Zaqarashvili Т. V. Observation of coronal loop torsional oscillation. // Astron. and Astrophys. 2003 - V.399 - L15

65. Nishio, M., Yaji, K., Kosugi, Т., Nakajima, H., and Sakurai, T. Magnetic Field Configuration in Impulsive Solar Flares Inferred from Coaligned Microwave/X-Ray Images. // Astrophys. J. 1997- V.489 P.976

66. Bastian T.S. ALMA and the Sun. // Astronomische Nachrichten- 2002 V.323 - P.271

67. Bastian T.S., Gary D.E., White S.M., Hurford G.J. Broadband microwave imaging spectroscopy with a solar-dedicated array. // Proc. SPIE 1998 - 3357 - 609

68. Grechnev V.V. Solar data analysis with IDL software. / / Internat. Symp. on Physical Processes associated with the Sun. Weihai, 5-12 Aug. 2002. http://srg.bao.ac.cn/weihailect/Grechnev/Grechnev01.htm

69. Гинзбург В.Л., Сыроватский С.И. Происхождение космических лучей. 1963 - М.: Изд. АН СССР.

70. Hanaoka Y. Double-Loop Configuration of Solar Flares. // Solar Physics 1997- V.173- P.319

71. Мельников В.Ф., Резникова В.Э. Пространственная структура и динамика микроволнового излучения солнечных вспышек. // Труды пятой научной конференции по радиофизике, 7 мая2001. Нижний Новгород, 2001.- С.116-117.

72. Мельников В.Ф., Резникова В.Э., Шибасаки К. Пульсации см-мм излучения вспышечной арки с периодом 14 секунд. // Труды научной конференции стран СНГ и Прибалтики "Активные процессы на Солнце и звездах", 1-6 июля 2002. С.Петербург,2002. С.225-228.

73. Melnikov V.F., K. Shibasaki, V.E. Reznikova. Loop-top nonthermal microwave source in extended flaring loops. // Astrophys. J. 2002. - V.480. - P.L185-L188.

74. Nakariakov V. М., Melnikov V.F. and Reznikova V.E. Global Sausage Modes of Coronal Loops. // Astron. Astrophys. 2003. -V.412. - P. L7-L10.

75. Резникова В.Э., Мельников В.Ф., Накаряков B.M., Шибасаки К. Радиальные БМЗ колебания солнечной вспышечной арки. // Труды 8-й научной конференции по радиофизике, 7 мая 2004, ННГУ, Н.Новгород, под ред. Якимова А.В. Н.Новгород, ТАЛАМ, 2004. - С.66-67.

76. Резникова В.Э., Мельников В.Ф., Шибасаки К. Эволюция распределения радиояркости вдоль протяженных вспышечных петель. // Труды 8-й научной конференции по радиофизике, 7 мая 2004, ННГУ, Н.Новгород, под ред. Якимова А.В. -Н.Новгород, ТАЛАМ, 2004. С.68-69.

77. Reznikova V.E., V.F. Melnikov, К. Shibasaki, V.M. Nakariakov. Observations of microwave oscillations with spatial resolution. // Тезисы докладов международной "Конференции по солнечно-земной физике", Иркутск, 20-25сентября 2004. С.21-22.

78. Melnikov V.F., V.E. Reznikova, К. Shibasaki, V.M. Nakariakov. // Spatially resolved microwave pulsations of a flare loop. Astron. Astrophys. - 2005. (В печати).