Высокоэнергичное (-30 МэВ) гамма-излучение солнечных вспышек тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА (Обзор литературы).

1.1. Основные понятия физики Солнца.

1.2. Общая характеристика солнечной вспышки.

1.3. Классификация солнечных вспышек.

1.4. Модель солнечной вспышки.

1.5. Ускорение частиц в солнечных вспышках.

1.6. Гамма-кванты высоких энергий от солнечных вспышек.

ВВЕДЕНИЕ

Физика Солнца составляет важный раздел в общей картине научных знаний: она тесно связана с такими областями, как астрофизика, физика плазмы, ядерная физика, физика магнитосферы Земли и геофизика. Влияние Солнца как на окружающее околоземное пространство, так и на саму Землю является определяющим по сравнению с другими факторами. Это обусловлено не только тем, что Солнце является наиболее к нам близким объектом космического масштаба, но и процессами, происходящими в его недрах и атмосфере. Такие явления, как выброс огромного количества частиц по направлению к Земле, которые не только захватываются ее магнитными полями, но и искажают саму структуру магнитного поля Земли. Интенсивные потоки гамма-излучения и истекающей в межпланетное пространство плазмы - солнечного ветра оказывают существенное влияние на биосферу. Наиболее сильно данные факторы проявляются в моменты максимальной солнечной активности, ярким проявлением которой являются солнечные вспышки. Поэтому актуальность изучения Солнца и солнечных явлений не вызывает сомнения. Наиболее доступной и основной информацией для анализа солнечных событий является электромагнитное излучение в широком диапазоне от радио до гамма-квантов высоких энергий. Это излучение тесно связанно с различными нестационарными процессами, происходящими в солнечной атмосфере. Более подробно нестационарные процессы описаны в главе 1, однако, отметим, что главную роль в таких процессах играют магнитные поля и конвективные движения солнечного вещества.

Эти процессы наиболее ярко проявляются в солнечных вспышках, когда генерируется гамма-излучение и в околосолнечное пространство выбрасываются огромные потоки частиц, которые достигают магнитосферы Земли. Источником такого высокоэнергичного излучения во время вспышек является ускоренные заряженные частицы, главным образом, протоны и электроны, которые, как показывают наблюдательные данные, могут быть ускоренны до десятков ГэВ. Механизм пересоединения магнитных силовых

ВВЕДЕНИЕ линий рассматривается как основная причина возникновения солнечных вспышек и ускорения заряженных частиц. Исследованию солнечных вспышек посвящено много работ, и все же пока нет ясной картины их возникновения и развития.

Здесь для нас представляет интерес высокоэнергичное (>10 МэВ) гамма-излучение, генерируемое атмосферой Солнца во время солнечной вспышки. Главной особенностью гамма-излучения высокой энергии является его непосредственная связь с ускоренными частицами. Основные процессы генерации высокоэнергичного гамма-излучения - тормозное излучение ускоренных электронов и распад пионов, образованных в результате взаимодействия ускоренных во вспышках протонов с веществом солнечной атмосферы.

Временной и спектральный анализ нейтрального высокоэнергичного излучения Солнца позволяет восстанавливать характеристики пучков ускоренных частиц, а также понять процессы их возникновения и последующего взаимодействия с веществом солнечной атмосферы, которое может продолжаться в течение нескольких часов. Одним из эффективных методов исследования условий генерации излучения является моделирование переноса ускоренных частиц и их взаимодействие с солнечной атмосферой.

За последнее десятилетие накоплен обширный экспериментальный материал по солнечным вспышкам и предприняты попытки их объяснения. Однако трудно предложить "физически значимые" модели конфигурации магнитного поля солнечной вспышки, адекватные наблюдениям.

Цель данной работы - построение такой модели переноса и возможных конфигураций и динамики магнитного поля, которая наиболее полным образом соответствовала бы наблюдательным данным и выявила некоторые общие закономерности развития вспышек. К настоящему времени в научной печати представлен ряд работ, посвященных исследованию условий генерации гамма-излучения. Как правило, большинство работ опубликованных в последнее время, полагает, что именно взаимодействие магнитного поля ответственно за все многообразие наблюдаемых солнечных вспышек.

ВВЕДЕНИЕ

Впервые модель солнечной вспышки с распространением энергичных частиц в магнитной петле короны и генерация ими гамма-излучения была рассмотрена в статье [1]. Для объяснения наблюдаемых временных и энергетических характеристик гамма-излучения солнечных вспышек эта модель использовалась в работах [2-8]. В них проводилось моделирование методом Монте-Карло процессов взаимодействия, которым подвергаются инжектированные частицы, а также влияние магнитной турбулентности на их движение. В расчетах была принята упрощенная структура магнитного поля, например, рассматривалось движение ведущего центра траектории частицы лишь вдоль магнитных силовых линий, тем самым исключался поперечный дрейф. Величина дрейфа может оказаться весьма значительной, особенно при долгом удержании частиц в магнитных полях сложной геометрии.

В этих работах не было достаточно полной программы моделирования движения заряженных частиц во время солнечных вспышек. Поэтому одна из начальных задач данной работы заключалась в создании общей программы моделирования движения частиц, учитывающей особенности солнечной атмосферы и наличие магнитных полей. Решению этой задачи посвящена глава 2. Для оценки возможности созданной программы был проведен сравнительный анализ с работами, выполненными ранее. Результаты сравнительного анализа представлены в главе 3.

Выявлению некоторых особенностей гамма-излучения высоких энергий (>10 МэВ) во время реальной солнечной вспышки 26-го марта 1991 года, данные по которой были получены в эксперименте "ГАММА-1", посвящена глава 4.

Анализ последних экспериментальных данных по солнечным вспышкам позволил достичь значительного прогресса в понимании вспышечных явлений, однако, еще остаются вопросы, связанные с условиями генерации гамма-излучения. Возможно, ответы на некоторые вопросы удастся найти при условии учета более реальной конфигурации магнитного поля вспышки, и рассмотрение траекторий частиц в таком сложном магнитном поле может

ВВЕДЕНИЕ позволить выявить новые временные и спектральные особенности высокоэнергичного гамма-излучения, что позволит лучше понять сам процесс ускорения частиц. Исследование сложных магнитных структур солнечной вспышки может быть проведено как в рамках одиночной магнитной петли, так и при рассмотрении наложения двух петель. В заключительной главе 5 представлена модель солнечной вспышки с арочной структурой магнитного поля, которая является вариацией известной модели простой магнитной петли.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Основные результаты диссертации отражены в 10-ти печатных работах и доложены на пяти научных конференциях.

В заключение выражаю благодарность моим научным руководителям: ведущему научному сотруднику Озерову Ю.В. за руководство и большую

ЗАКЛЮЧЕНИЕ помощь в работе и профессору Лучкову Б.И., взявшему на себя руководство после Юрия Владимировича Озерова и оказавшему существенную помощь для успешного завершения данной работы, а также профессору Гальперу A.M., с.н.с. Попову A.B. и н.с. Ходаровичу A.M. за повседневную помощь в работе и плодотворные обсуждения.

1. Zweibel E.G. & Haber D.A. The propagation of energetic ions in magnetic loops and gamma-ray emission from solar flares. // Ap.J., 1983, vol. 264, p. 648.

2. Hua X.M., Ramaty R. & Lingenfelter R.E. Deexcitation gamma-ray line emission from solar flare magnetic loops. // Ap.J., 1989, vol. 341, p. 516.

3. Miller J.A. & Ramaty R. Relativistic electron transport and bremsstrahlung production in solar flares. // Ap.J., 1989, vol. 344, p. 973.

4. Gueglenko V.G. et.al. Generation of high-energy neutral radiation in flare loops. II. Monte Carlo Simulation and Comparison with Observations. // Solar Phys. 1990, vol. 125, p. 91.

5. Kocharov L.G. & Kovaltsov G.A. Generation of high-energy neutral radiation in flare loops. I.Basic Regularities. // Solar Phys., 1990, vol. 125, p. 67.

6. Комаров Л.Г., Ковальцов Г.А. Препринт ФТИ, 1990, №1491.

7. Mandzhavidze N. & Ramaty R. High-enrgy gamma-ray emission from pion decay in a solar flare magnetic loop. // Ap.J., 1992, vol. 389, p. 739.

8. Mandzhavidze N. & Ramaty R. Gamma rays from pion decay: evidence for long-term trapping of particles in solar flares. // Ap.J., 1992, vol. 396, p. LI 11.

9. Peterson L.E. and Winkler J.R., Phys.Rev.(Letters), 1, 205, 1958

10. O.Peterson L.E. and Winkler J.R., J.Geophys.Res., 64, 697, 1957

11. Morrison P., Nuovo Cimento, 7, 858, 1958

12. Lingenfelter R. and Ramaty R., in High-Energy Nuclear Reaction in Astrophysics ed. Shen B.S.P.(Benjamin: New York), p. 99, 1967.

13. Avrett E.H., The reference encyclopaedia of astronomy and astrophysics, 1991.

14. Parker E.N., Ap.J., 121,491, 1955.

15. Прист Э.Р., Солнечная магнитогидродинамика, Мир, 1985.

16. Космическая магнитная гидродинамика, под ред. Прист Э. и Худ А., 1996.

17. Giovanelli R.G., Nature, 158, 81, 1946

18. Parker E.N., Ap.J. Suppl., 8, 177, 1963

19. Sweet P.A. In: Electomagnetic Phenomena in Cosmical Physics, Lehnert B. ed., Cambridg University Press, 1958, p. 124.

20. Haisch B., Strong K.T. and Rodono M., Annu. Rev. Astion. Astrophys., p. 275, 29, 1991

21. Hudson H. and Ryan J., Annu. Rev. Astron. Astrophys., p. 239, 33, 1995

22. Hagyard M.J., Moore R.L. and Emslie A.G., Adv. Space res., 71,4, 1984

23. Moore R.L., Hagyard M.J. and Davis J.M., Solar Phys., 347, 113, 1987

24. Ramaty R., Kozlovsky B. and Lingenfelter R.E., Space Sei. Rev., 341, 18, 1975

25. Ramaty R., Murphy R.J., Kozlovsky B. and Lingenfelter R.L., Solar Phys., 395, 86, 1983

26. Canfield R.C. et. al., in P.A.Sturrock (ed.), Solar Flares, Colorado Ass. University Press, Boulder, p. 451.

27. Svestka Z., Solar Phys., 160, 53, 1995. 28.Cliver E.W., Solar Phys., 157, 285, 1995. 29.Sakai J.I & de Jager C. Space Sei. Rev., 77, 1, 1996.

28. Kopp R.A. & Pneuman G.W., Solar Phys., 50, 85, 1976.

29. Tsuneta S. Ap.J., 456, 840, 1996. 32.Somov B.V. & Kosugi T„ Ap.J., 485, 859 1997.

30. Rieger E., Solar Phys., 323, 121, 1989.

31. Murphy R.J. and Ramaty R., Adv. Space Res., p.127, 4, 7, 1984. 35.Steinacker J. and Miller J.A., Ap.J., 393, 764, 1992.

32. Miller J., Ap.J., 376, 342, 1991.

33. Vlahos L., Adv. Space Res., 13, 9, 161, 1993.

34. Melrose D.B., Plasma Astrophysics, vol. 1, 2, (New York: Gordon and Breach Scinence Publishers).

35. Bai T. and Ramaty R„ Ap.J., 227, 1072, 1979.

36. Yoshimori M., J. Phys. Soc. Japan, 53, 4499, 1984.

37. Chupp E.L., Ann. Rev. Astion. Astrophys., 22, 359, 1984.

38. Forrest D.J. & Chupp T.A., Nature, 305, 291, 1983.

39. Kane S.R., & Ap.J., 300, L95, 1986.

40. Chupp E.L., Solar Phys., 86, 383, 1983a.

41. Chupp E.L., Solar Phys., 86, 435, 1983b.

42. Forrest D.J. et. al., Adv. Space Res., 6(6), 115, 1986.

43. Koide S. & Sakai J.I., Solar Phys., 151,137, 1994.

44. Yoshimori M., Publ. Astron. Soc. Japan., 44, L107, 1992.

45. High energy astrophysics, Volume 1, Particle, photons and their detection, 1992, Ed. Longair M.S.

46. Melrose D.B., Solar Phys., 37, 353, 1974.

47. Miller, Ramaty & Murphy , 20th Int. Cosmic Ray Conf., 3, 33, 1987.

48. Miller & Ramaty, Solar Phys., 1987.

49. Cargill R.J., Goodrich C.C. & Vlahos L„ Astron. Astrophys., 189, 254, 1988.

50. Ellison D.C. & Ramaty R., Ap.J., 298, 400, 1985.

51. Decker R.B. & Vlahos L„ Ap.J., 306, 710, 1986.

52. Bai T. et.al., Ap.J., 267, 433, 1983.

53. Murphy R.J., Dermer C.D. and Ramaty R., Ap.J. Suppl. Ser., 63, 721, 1987.

54. Гинзбург В.Л., Теоретическая физика и астрофизика, Наука, 1981.

55. Petrosian V., Ap.J., 299, 987, 1985.

56. Chupp E.L., Phys. Scripta, T18, 5, 1987.

57. Ramaty R & Murphy R.J., Space Sci. Reviews 45, 213, 1987.

58. Forman M. A., Ramaty R., & Zweibel E.G., in Physics of the Sun ed. Sturrock P., (D. Reidel: Dordrecht), p. 249, 1986.

59. Gan W.Q., Ap.J., 496, 992, 1998.

60. Forbes T.G. & Acton L.W., Ap.J., 459, 330, 1996.

61. Miller J.A. and Roberts D.A., Ap.J., 452, p.912, 1995.

62. Melrose D.B., Ap.J., 486, 521, 1997.

63. Руководство пользователя GEANT, Detector Description and Simulation Tool, Edition-March 1994.

64. Rank G. et. al., in the 25th ICRC, South Africa, 1997.

65. Koch H.W. & Motz J.W., Rev.Mod.Phys., 31, 920, 1959.

66. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая электродинамика, т. 4. М.: Наука, 1989,

67. Haug Е., Z.Naturforsch, р. 1099, 30а, 1975.

68. А.М. Гальпер, В.М. Земсков, Б.И. Лучков, Ю.В. Озеров, В.Ю. Тугаенко, A.M. Ходарович "Исследование тонкой временной структуры жесткого гамма-излучения солнечных вспышек"., Письма в ЖЭТФ, том 59, вып.З, стр. 145-149, 1994.

69. A.M. Гальпер, В.М. Земсков, Б.И. Лучков, Ю.В. Озеров, A.M. Ходарович "Исследование временного хода гамма-излучения солнечных вспышек". Известия РАН, Серия Физическая", том 59, N4, стр. 7-10, 1995.

70. Н.М. Djantemirov, A.M. Galper, A.M. Khodarovich, B.I. Luchkov, Yu.V. Ozerov, V.M. Zemskov, V.G. Zverev, "The temporal and spectral characteristicsof sola gamma-flares on the data of Gamma-1 experiment"., Proc. 24th ICRC, Rome, 4, p. 94-97, 1995.

71. Гальпер A.M., Озеров Ю.В., Ходарович A.M., Рипчхшов С.Б., Всплески высокоэнергачного гамма-излучения в слабых солнечных оптических вспышках, Сборник трудов научной сессии МИФИ, т. 4, стр. 62, 1999.

72. A.M. Ходарович, "Временные и спектральные характеристики солнечных гамма-вспышек высокой энергии по данным эксперимента Гамма-Г'., Диссертация на соискание ученой степени кандидата ф.-м. наук, Москва, 1998г.

73. Рудько В.А., Автоматизация обработки информации при исследовании космического излучения в эксперименте "Гамма-1", Диссертация на соискании ученой степени кандидата ф.-м. наук, Москва, 1992 г.

74. Гальпер A.M., Озеров Ю.В., Земсков В.М., Ходарович A.M. и др отчет НИР/МИФИ по государственному контракту N 073-4806.93("ИНФОРМ-Г"), 1993.

75. Chesnokov V.Yu., Djantemirov Н.М., Galper A.M., Khodarovich A.M., Luchkov B.I., Ozerov Yu.V., Zemskov V.M., Zverev V.G., "Research of powerful solar gamma-flares in "Gamma-1" experiment", Biannual report 93/94, MEPhI, 1995.

76. Акимов, В.Г. Афанасьев, А.С. Белоусов и др., Письма в АЖ , т. 18, стр. 167, 1992.

77. N.G. Leikov, V.V. Akimov, V.A. Volsenskay et.al., Symposium "Resent Advances of High Energy Astronomy", Touluse, 1992.

78. V.V. Akimov, A.V. Belov, V.G. Kurt et. al., Proc. of 23-rd Intern. Cosmic Ray Conf., Calgary, v. 3, p. 111, 1993.

79. A.M. Гальпер, B.M. Земсков, Г.Е. Кочаров и др., Изв. РАН. сер. физ., т. 57, N 7, стр. 123, 1993.

80. А.М. Гальпер, В.М. Земсков, Б.И. Лучков, Ю.В. Озеров, А.В. Попов, A.M. Ходарович, "Повторные всплески гамма-излучения солнечной вспышки 15.06.91.", Письма в ЖЭТФ, том 63, вып. 12, стр. 889-893, 1996.

81. Galper A.M., Zverev V.G., Luchkov В.I., Ozerov Yu.V., Khodarovich A.M., Kovaltsov G.A. and Usoskin I.G., J. Moscow Phys. Soc., v. 6, p. 399-406, 1996.

82. Озеров Ю.В., Ходаровт A.M., Ринчгтов С.Б., "Моделирование генерации высокоэнергичного гамма-излучения солнечной вспышки", Препринт 005-99, МИФИ, 1999 г.

83. Ефремова Ю.В., Озеров Ю.В., Ходарович A.M. "Выделение всплесков интенсивности в экспериментах с высокой временной точностью регистрации событий"., Приборы и Техника Эксперимента, N 4, стр. 33-37, 1997.

84. Галъпер A.M., Озеров Ю.В., Ходарович A.M., Ринчинов С.Б., J. Moscow Phys. Soc., vol. l,p. 23-27, 1999.

85. Гальпер A.M., Лучков Б.И., Озеров Ю.В., Ринчинов С.Б., Ходарович A.M., Высокоэнергичное гамма-излучение солнечных вспышек 22-го цикла по данным эксперимента "Гамма-1"., Астрономический журнал, т. 77, № 6, стр. 447459, 1999 г.1. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

86. Герштейн С.С., Геомагнетизм и аэрономия, т. 19, стр. 202, 1979.

87. Fiorentini G. and Gershtein S.S., Preprint INFN-FE-09/92, 1992.1. В!ОДДи¥К££/1. ЧгЧНО - ОЪ