Ускорение частиц в магнитных ловушках и жесткое рентгеновское излучение солнечных вспышек

Солнечные вспышки уникальны с точки зрения многообразия наблюдательных данных, которые они предоставляют для исследования [70].

Значительная часть полной энергии вспышки освобождается в виде ускоренных частиц, порождающих жесткое рентгеновское излучение. Ускорение электронов и ионов является неотъемлемой частью наиболее энергичной, импульсной фазы вспышки и представляет особый интерес. Место и механизм ускорения частиц до сих пор являются предметом дискуссий.

Данные наблюдений, выполненных на искусственном спутнике Земли (ИСЗ) УоЬкоЬ, показывают, что во время вспышки формируется несколько источников жесткого рентгеновского излучения. Часть из них возникает в короне в вершинах «вспышечных» петель, а другие располагаются вблизи оснований петель в хромосфере. Хромосферные источники в настоящее время хорошо изучены. Они возникают при торможении в хромосфере быстрых электронов, предварительно ускоренных в короне. Разработанная для хромосферного излучения классическая модель толстой мишени [11], вообще говоря, согласуется с наблюдениями, хотя и требует очень много ускоренных электронов.

Природа коронального излучения в жестком рентгеновском диапазоне до сих пор не известна. В настоящее время разрабатываются три типа моделей: а) тепловое излучение нагретой плазмыб) прохождение электронов через область повышенной плотности и в) тормозное излучение частиц, удерживаемых в корональной ловушке. Ни одна из них, однако, не является вполне удовлетворительной. Причина в том, что модели, как правило, предлагают лишь качественное описание явления, не подтверждая его строгими вычислениями. Кроме того, большинство авторов изучает корональное рентгеновское излучение как отдельное явление, не уделяя должного внимания его связи с ускорением частиц и с хромосферными источниками, тогда как в настоящее время такая связь не вызывает сомнений.

Вопрос о происхождении коронального излучения является, таким образом, одним из основных в современной физике солнечных вспышек. Построение модели, позволяющей не только описать происхождение коронального источника, но и установить его связь с другими высокоэнергичными процессами, несомненно, будет способствовать прогрессу в понимании природы вспышек.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования является импульсная фаза солнечной вспышки. Основное внимание уделено ускорению частиц и происхождению жесткого рентгеновского излучения, как в короне, так и в хромосфере. Именно эти два момента и составляют предмет диссертационной работы.

Цель работы.

Общая задача — теоретическое исследование ускорения частиц и жесткого рентгеновского излучения — естественным образом распалась на несколько отдельных задач, которые можно сгруппировать следующим образом:

1. Построить модель коронального источника жесткого рентгеновского излучения, которая объясняет наблюдаемую интенсивность излучения и его главные особенности: а) источник поднимается вверх со скоростью около 10 км/с, б) источник имеет две компоненты — нетепловую и квазитепловую, в) временной профиль излучения состоит из отдельных всплесков продолжительностью несколько секунд.

2. Вычислить спектр хромосферного источника и объяснить наблюдаемую временную корреляцию между изменениями коронального и хромосферного потоков жесткого рентгеновского излучения. Определить связь между интенсивностью излучения из короны и хромосферы.

3. Рассмотреть процесс ускорения электронов и ионов. Объяснить в рамках новой модели следующие его особенности: а) электроны ускоряются до энергий выше 100 кэВ, а протоны до энергий выше 100 МэВ за время порядка одной секунды, б) в отдельных случаях электроны могут достигать энергии в 10 МэВ, а протоны — 1 ГэВ. Процесс ускорения в этом случае может занимать несколько секунд.

4. Определить связь между интенсивностью жесткого рентгеновского излучения и характеристиками корональной ударной волны.

Научная новизна.

1. В рамках модели коллапсирующей магнитной ловушки изучен процесс ускорения частиц. Показано, что ускорение ионов более эффективно, чем электронов. Такой результат является новым по сравнению с общепринятыми механизмами, в которых ускорение обратно пропорционально массе.

2. Исследован вопрос о скорости подъема вверх коронального источника жесткого рентгеновского излучения. Для объяснения предложен и обоснован новый режим ударной волны, при котором плазма за фронтом не успевает нагреться до сколь либо значимых температур из-за теплопроводности и динамического расширения. Показано, что только в рамках такого подхода скорость фронта согласуется со скоростью источника. Остальные режимы, включая изотермический, противоречат наблюдениям.

3. Рассмотрена новая модель коронального источника жесткого рентгеновского излучения. Определен его спектр и временные характеристики. Сделаны оценки для темпа инжекции электронов, требуемого, чтобы сформировать излучение наблюдаемой интенсивности.

4. Определена связь между интенсивностью коронального и хромосферного источников. Показано, что спектр жесткого рентгеновского излучения можно описать, используя два независимых параметра: число инжектированных частиц N и скачок поля на магнитных зеркалах ловушки Я.

Теоретическая и практическая значимость.

Теоретическая значимость исследования состоит в том, что в рамках новой единой модели изучено сразу несколько явлений, характерных для импульсной фазы солнечной вспышки, начиная от ускорения частиц и заканчивая жестким рентгеновским излучением. Такой подход позволяет лучше понять внутренние связи между этими процессами и дает возможность сравнить их временные, пространственные и энергетические характеристики.

Основные положения работы не ограничиваются вспышками на Солнце и могут быть применены к другим явлениям в космической плазме. Так, например, математический аппарат, разработанный для описания ускорения частиц в корональной ловушке, может быть использован и для магнитосферы Земли. Не до конца исчерпаны и возможности использования модели в атмосфере Солнца. В частности, с ее помощью можно исследовать всплески синхротронного радиоизлучения, наблюдаемые во время импульсной фазы вспышки. Кроме того, изучение анизотропии в распределении частиц на выходе из ловушки может быть ключом к объяснению поляризации наблюдаемого излучения. Представляет значительный интерес и вопрос о возможности убегания частиц из ловушки в межпланетное пространство. Не исключено, что именно в этом направлении надо искать объяснение необычного изобилия некоторых ионов. Все это говорит о внутреннем потенциале модели, который раскрыт далеко не полностью.

Содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, содержащего 88 ссылок. Общий объем диссертации составляет 102 страницы, включая 29 рисунков и 9 таблиц.

Заключение

.

В диссертации предложена и подробно изучена новая модель ускорения электронов и ионов в короне во время импульсной фазы солнечной вспышки. В рамках модели объяснены следующие наблюдательные особенности солнечной вспышки:

1. Показано, что электроны внутри коллапсирующей магнитной ловушки, расположенной над вспышечной петлей, могут набирать энергию до 1 МэВ, а протоны — до 1 ГэВ за время, не превышающее нескольких секунд.

2. Ускорение тяжелых частиц в коллапсирующей ловушке более эффективно, чем легких. Энергия протонов после убегания из ловушки более чем на порядок превышает энергию электронов.

3. Показано, что часть ускоренных в ловушке частиц может попадать в межпланетное пространство. При этом происходит существенное изменение относительного содержания ионов в различных энергетических диапазонах по сравнению с корональными значениями.

4. Предложен новый режим ударной волны с быстрым охлаждением плазмы за фронтом. Объяснена наблюдаемая скорость подъема вверх коронального источника жесткого рентгеновского излучения.

5. Показаны причины разделения коронального источника на две компоненты. Роль тепловой составляющей играет горячая плазма, сжатая за фронтом ударной волны. Нетепловое излучение возникает при ускорении электронов в магнитной ловушке, расположенной над фронтом.

6. Продемонстрировано, что ускорение частиц внутри корональной ловушки приводит к разделению потока рентгеновского излучения на отдельные всплески продолжительностью в несколько секунд.

В диссертации создана единая модель, которая в рамках общего математического аппарата описала и ускорение частиц, и жесткое рентгеновское излучение из короны и хромосферы. Получены формулы, связывающие интенсивность и спектр наблюдаемого излучения с ускорением электронов и темпом их инжекции из пересоединяющего токового слоя. Исследован вопрос о распределении энергии по рентгеновским диапазонам.

Таким образом все поставленные перед выполнением диссертационной работы цели достигнуты. Все исследованные в работе вопросы, начиная от механизма ускорения частиц и заканчивая происхождением коронального рентгеновского излучения, до сих пор не имели удовлетворительного объяснения и оставались предметом дискуссий.