Ускорение частиц в магнитных ловушках и жесткое рентгеновское излучение солнечных вспышек тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, кандидат физико-математических наук Богачев, Сергей Александрович

• Богачев, Сергей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Богачев, Сергей Александрович

Введение.

1 Жесткое рентгеновское излучение в солнечных вспышках

Обзор литературы)

1.1 Некоторые данные наблюдений и их интерпретация.

1.2 Теоретические модели.

1.3 Ускорение частиц во время солнечной вспышки

1.3.1 Ускорение электронов.

1.3.2 Ускорение ионов.

2 Квазитепловая компонента коронального источника жесткого рентгеновского излучения. Быстрая ударная волна

2.1 Постановка задачи. Поперечная ударная волна.

2.2 Решение уравнений в общем виде.

2.3 Охлаждение плазмы за фронтом ударной волны.

2.4 Изотермическая ударная волна.

3 Ускорение частиц в корональной магнитной ловушке

3.1 Постановка задачи. Ускорение отдельных частиц.

3.1.1 Ускорение электронов.

3.1.2 Ускорение протонов и ионов.

3.1.3 Убегание частиц из ловушки.

3.2 Изменение макроскопических параметров плазмы.

3.2.1 Полное число частиц и их концентрация

3.2.2 Изменение функции распределения

3.3 Спектр частиц, высыпающихся из ловушки.

3.3.1 Высыпание частиц в хромосферу. 3.3.2 Убегание частиц в межпланетное пространство

4 Жесткое рентгеновское излучение из короны

4.1 Постановка задачи. Тонкая мишень.

4.2 Излучение захваченных электронов.

4.3 Зависимость излучения от характеристик ударной волны

5 Жесткое рентгеновское излучение из хромосферы

5.1 Постановка задачи. Толстая мишень.

5.2 Решение уравнений.

5.3 Зависимость излучения от характеристик ударной волны

5.4 Сравнение излучения из хромосферы и короны.

6 Область применимости модели

6.1 Условие формирования ударной волны

6.2 Влияние электрического поля на движение частиц.

6.3 Кулоновские столкновения частиц.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 плазмы; б) 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 диссертации по теме «Астрофизика, радиоастрономия», Богачев, Сергей Александрович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Богачев, Сергей Александрович, 2003 год

1. Богачев С.А., Сомов Б.В., Масуда С. ff Письма в АЖ. 1998. - Т. 24. -No 8. - С. 631

2. Богачев С.А., Сомов Б.В.// Вести. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 1999. -No. 4. - С. 46

3. Богачев С.А., Сомов Б.В.// Изв. РАН., Серия физич. 1999. - Т. 63. -No 8. - С. 1555

4. Богачев С.А., Сомов Б.В.// АЖ. 2001. - Т. 78. - No. 2. - С. 187

5. Зельдович Я. В., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. Москва: Наука, 1966

6. Ковалев В.А., Сомов Б.В.// Письма в АЖ. 2002. - Т. 28. - No 7. -С. 554

7. Сомов Б.В., Сыроватский С.И.// УФН. 1976. - Т. 120. - No 2. -С. 217

8. Сомов Б.В.// Изв. РАН., Серия физич. 1999. - Т. 63. - No 8. - С. 1474

9. Сомов Б.В., Косуги Т., Богачев С.А.// Изв. РАН., Серия физич. -2000. Т. 64. - No. 8. - С. 1823

10. Сыроватский С.И.// ЖЭТФ. 1971. - Т. 60. - No. 4. - С. 1727

11. Сыроватский С.И., Шмелева О.П.// АЖ. 1972. - Т. 49. - No. 2. -С. 334

12. Akimov V.V., Belov A.V. et al. Proc. 23rd Int. Cosmic. Rays Conf. -1993. - No. 3. - P. Ill

13. Alfven H., Falthammar G.-G. Cosmical Electrodynamics, Fundamental Principles. London: Oxford University Press, 1963

14. Aschwanden M.J., Hudson H.S. et al.// Astrophys. J. 1996. V. 470. P. 1198

15. Bai Т., Hudson H.S. et al.// Astrophys. J. 1983. - V. 267. - P. 433

16. Brown J.C.// Solar Phys. 1972. - V. 26. - No. 2. - P. 441

17. Chupp E.L., Forrest D.J. et al.// Astrophys. J. Lett. 1982. - V. 263. L. 95

18. Chupp E.L.// Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1984. - V. 22. - P. 359

19. Conway A.J., MacKinnon A.L. et al.// Astron. Astrophys. 1998. V. 331. - P. 1103

20. Debrunner H., Fluckiger E. et al. Proc. 18th Int. Cosmic. Rays Conf. 1983. - No. 4. - P. 75

21. Dennis B.R.// Sol. Phys. 1988. - V. 118. - P. 49

22. Doschek G.A., Strong K.T., Tsuneta S.// Astrophys. J. 1995. - V. 440. P. 370

23. Duijveman A., Hoyng P., Machado M.E.// Sol. Phys. 1982. - V. 81. P. 137

24. Dulk G.A., Kiplinger A.L., Winglee R.M.// Astrophys. J. 1992. V. 389. - P. 756

25. Fermi E.// Astrophys. J. 1954. - V. 119. - No. 1. - P. 1

26. Fletcher L.// Astron. Astrophys. 1995. - V. 303. - P. 9

27. Fletcher L., Martens P.C.H.// Astrophys. J. 1998. - V. 505. - P. 418

28. Hoyng P. et al.// Astrophys. J. -1981. V. 244. - P. 153

29. Hudson H.S. et al.// Astrophys. J. 1994. - V. 422. - P. 25

30. Galper A.M., Zemskov V.M., Luchkov B.I., et al.// Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 1994. - V. 59(3). - P. 145

31. Ichimoto K., Hirayama T. et al.// Publ. Astron. Soc. Japan. 1992. -V. 44. - P. 117

32. Jackson J.D. Classical Electrodynamics. New York: John Wiley and Sons, 1975

33. Kane S.R. Coronal Disturbances/ed. by G.Newkirk, IAU Symp., 1974. -No. 57. P. 105

34. Kane S.R., Chupp E.L. et al.// Astrophys. J. Lett. 1986. - V. 300. -L. 95

35. Kosugi T., Somov B.V. Observational Plasma Astrophysics: Five Years of Yohkoh and Beyond/ed. by T. Watanabe, T. Kosugi, A. Sterling: Dordrecht, 1998. P.297

36. Lin R.P.// Rev. Geophys. -1987. V. 25. - P. 676

37. Machado M.E., Ong K. et al.// Adv. Space Res. 1993. - V. 13. - No. 9. -P. 175

38. McKenzie D.E., Hudson H.S.// Astrophys. J. Lett. 1999. - V. 519(11). -L. 93

39. Mandzhavidze N., Ramaty R.// Nucl. Phys. 1993. - V. 33. - P. 141

40. Mandzhavidze N., Ramaty R. et al. High Energy Solar Physics: New York, 1996

41. Mariska J.T., Sakao T., Bentley R.D.// Astrophys. J. 1996. - V. 459. -P. 815

42. Mason G.M., Mazur J.E. et al.// Astrophys. J. 1994. - V. 425. - P. 843

43. Masuda S., Kosugi T. et al.// Nature. 1994. - V. 371. - P. 495

44. Masuda S. Ph.D. Thesis: University of Tokyo, 1994

45. Masuda S., Kosugi T. et al.// Publ. Astron. Soc. Japan. 1995. - V. 47. -P. 677

46. Masuda S., Kosugi T., Hudson H.S.// Solar Physics. 2001. - V. 204. -P. 55

47. Masuda S., Kosugi T. et al. Observational Plasma Astrophysics: Five Years of Yohkoh and Beyond/ed. by T. Watanabe, T. Kosugi and A.C. Sterling, 1998. P. 259

48. Mazur J.E., Mason G.M., Klecker B., McGuire R.E.// Astrophys. J. -1992. -V. 401. P. 398

49. Melrose D.B., Brown J.C.// MNRAS. 1976. - V 176. - P. 15

50. Metcalf T.R., Alexander D.// Astrophys. J. 1999. - V. 522. - P. 1108

51. Miller J.A.// Eos Trans. AGU. 1995. - V. 376. - L. 342

52. Murphy R.J., Dermer C.D., Ramaty R.// Astrophys. J. Suppl. 1987. -V. 63. - P. 721

53. Murphy R.J., Ramaty R. et al.// Astrophys. J. 1991. - V. 371. - P. 793

54. Persson H.D.// Phys. Fluids. 1963. - V. 6. - P. 1756

55. Pike C.D., Phillips, K.J.H. et al.// Astrophys. J. 1996. - V. 464. - P. 487

56. Petrosian V.J., McTiernan M., Marschhauser H.// Astrophys. J. 1996. -V. 434. - P. 747

57. Petrosian V.J., Donaghy T.Q.// Astrophys. J. 2002. - V. 569. - P. 459

58. Priest E.R. Solar Flare Magnetohydrodynamics. New York: Gordon and Breach, 1979

59. Ramaty R.B., Kozlovsky B., Lingenfelter R.E.// Astrophys. J. Suppl. -1979. V. 40. - R 487

60. Ramaty R., Murphy R.J.// Space Sci. Rev. 1987. - V. 45. - P. 213

61. Ramaty R., Mandzhavidze N. et a 1.// Adv. Space Res. 1993. - V. 13 -No. 9. - P. 275

62. Ramaty R., Mandzhavidze N. High Energy Solar Phenomena. New York: AIP Press, 1994

63. Reames D.V.// Astrophys. J. Suppl. 1990. - V. 73. - P. 235

64. Reames D.V., Richardson I.G., Wenzel K.-P.// Astrophys. J. 1992. -V. 387. - P. 715

65. Reames D.V., Meyer J-P., von Rosenvinge T.T.// Astrophys. J. Suppl. -1994. V. 90. - P. 649

66. Rieger E.// Astrophys. J. Suppl. 1994. - V. 90. - P. 645

67. Shibata K., Masuda S. et al.// Astrophys. J. 1995. - V. 451. - P. 83

68. Simmnet G.M.// Sol. Phys. 1986. - V. 106. - P. 165

69. Smith D.F., Brecht S.H.// Sol. Phys. 1994. - V. 153. - P. 337

70. Somov B.V. Physical processes in solar flares. Dordrecht: Kluwer Academic Publ., 1992

71. Somov B.V. Cosmic plasma physics. Dordrecht: Kluwer Academic Publ., 2000

72. Somov B.V., Kosugi T.// Astrophys. J. 1997. - V. 485. - P. 859

73. Somov B.V., Kosugi T., Sakao T.// Astrophys. J. 1998. - V. 497. -P. 943

74. Somov B.V., Litvinenko Y.E., Bogachev S.A. et al. Proc. 9th European Meeting on Solar Physics (Magnetic Fields and Solar Processes) ESA SP-448. - 1999. - P. 701

75. Somov B.V., Henoux J.-C., Bogachev S.A.// Adv. Space Res. 2002. -V. 30. - No. 1. - P. 55

76. Spicer D.S., Emslie A.G.// Astrophys. J. 1988. - V. 330. - P. 997

77. Takakura T. et al.// PASJ. 1993. - V. 45. - P. 737

78. Takakura T., Kosugi T. et al.// Publ. Astron. Soc. Japan. 1995. -V. 47. - P. 355

79. Ugai M.// Phys. Plasmas. 1996. - V. 3. - P. 4172

80. Tsuneta S. et al.// Astrophys. J. 1984. - V. 284. - P. 827

81. Tsuneta S., Hara H. et al.// Publ. Astron. Soc. Japan. 1992. - V. 44. -P. 63

82. Tsuneta S., Masuda S. et al.// Astrophys. J. 1997. - V. 478. - P. 787

83. Tsuneta S., Naito T.// Astrophys. J. Lett. 1998. - V. 495. - L. 67

84. Takakura T., Kosugi T. et al.// Publ. Astron. Soc. Japan. 1995. -V. 47. - P. 355

85. Ugai M.// Phys. Plasmas. 1996. - V. 3. - P. 4172

86. Vilmer N., Kane S.R., Trottet G.// Astron. Astrophys. 1982. - V. 108. -P 306

87. Wheatland M.S., Melrose D.B.// Sol. Phys. 1995. - V. 158. - P. 283

88. Yokoyama T., Shibata K.// Astrophys. J. 1997. - V. 474. - P.61