научная статья по теме ДИНАМИКА УСКОРЕННЫХ ИОНОВ В КОРОНАЛЬНЫХ АРКАХ И МОДЕЛЬ ИСТОЧНИКА ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИКА УСКОРЕННЫХ ИОНОВ В КОРОНАЛЬНЫХ АРКАХ И МОДЕЛЬ ИСТОЧНИКА ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ»

КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА

УДК 523.985

ДИНАМИКА УСКОРЕННЫХ ИОНОВ В КОРОНАЛЬНЫХ АРКАХ И МОДЕЛЬ ИСТОЧНИКА ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

© 2014 г. Г. Н. Кичигин*, Л. И. Мирошниченко**, ***, В. И. Сидоров****, С. А. Язев*, ****

* Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск, Россия ** Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова, Троицк, Россия *** МГУ им. М.В. Ломоносова, НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, Москва, Россия **** Иркутский государственный университет, Астрономическая обсерватория, Иркутск, Россия

e-mail:yamantaka@yandex.ru, king@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 09.07.2013 г.

Моделируется динамика движения ионов, ускоренных до 10—100 МэВ/нуклон в электрическом поле ~0.01—0.1 В/см, которое имеет составляющую вдоль магнитного поля корональных солнечных арок с характерным размером ~100 тыс. км. Рассмотрена эволюция движения энергичных ионов, захваченных в магнитной арке с током, имеющей в основании магнитную пробку (модель магнитной ловушки — "пробкотрона"). Обсуждается применимость полученных теоретических результатов для интерпретации гамма-вспышек 23 июля 2002 г. и 28 октября 2003 г. по наблюдениям космической обсерватории RHESSI. В этих двух вспышках в линии захвата нейтронов 2.223 МэВ были локализованы одиночный и парный гамма-источники соответственно, смещенные относительно источников в жестком рентгеновском диапазоне. На основе комплексного анализа многоволновых данных (рентгеновское и гамма-излучение, оптические наблюдения, данные об энергичных солнечных протонах) предложена новая топологическая модель источника ускоренных частиц (типа "пробкотрона") и новый сценарий события 23 июля 2002 г. Получены указания на возможность ускорения частиц электрическим полем в арках коронального выброса вещества, связанного с крупной вспышкой. Из результатов моделирования следует также, что гамма-источник в линиях возбуждения (~4.1—6.7 МэВ) должен совпадать с областью взаимодействия ускоренных ионов с фоновой плазмой солнечной атмосферы над пятном вспышечной активной области.

DOI: 10.7868/S0367292114030056

1. ВВЕДЕНИЕ

Солнечная атмосфера, в которой плотность

вещества (плазмы) от фотосферы до нижней короны уменьшается на 7 порядков (концентрация частиц меняется от ~1015 см-3 до ~108 см-3) при характерных масштабах ~100 тыс. км, представляет

собой идеальную естественную лабораторию для

проверки теоретических моделей и их соответ-

ствия реальным наблюдательным данным. Круп-

номасштабные магнитные корональные арки, динамично развивающиеся во время мощных солнечных вспышек, могут содержать захваченные энергичные частицы, ускоренные во время импульсной фазы вспышки. Такие частицы, с одной стороны, совершают осциллирующие движения в корональной арке от ее вершины до магнитной пробки в хромосферном основании, с другой стороны — взаимодействуют с плотной фоновой плазмой оснований, являясь причиной излучений в диапазоне от гамма- до оптических линий.

Электрические токи, текущие вдоль магнитного поля корональных арок активной области (АО), испытывают прерывание во время солнечной вспышки [1]. Кроме того, существуют различные

топологические типы корональных арок, которые могут быть эруптивными (в случае корональ-ных выбросов) или образовывать целые вспы-шечные аркады. Эти факты в совокупности делают анализ ситуации еще более актуальным. Статья посвящена, прежде всего, теоретическому исследованию взаимодействия энергичных частиц с плазмой солнечной короны на стыке двух известных подходов — столкновительной и бес-столкновительной плазмы.

Следует отметить, что высококачественные данные наблюдений о крупных солнечных вспышках 23 июля 2002 г. и 28 октября 2003 г. позволяют проверить результаты теоретического моделирования. При этом одной из наиболее острых проблем физики солнечных вспышек является локализация солнечных источников энергичных частиц, которые при выходе в гелиосферу наблюдаются на орбите Земли в виде солнечных космических лучей (СКЛ).

Обычно рассматривают два основных источника частиц: 1) область первичного импульсного энерговыделения вспышки (см., например, [2]), и 2) ударную волну (УВ) на фронте быстрого коро-нального выброса вещества (КВВ) (см., напри-

мер, [3]). В первом случае источник расположен во вспышечной активной области (АО) в области сильных магнитных полей (МП). Ускорение частиц при этом происходит на импульсной фазе вспышки и часто совпадает с гамма-всплеском и/или жестким рентгеновским излучением. Во втором случае источник частиц находится на фронте быстрого КВВ и действует во время максимальной фазы вспышки (в данной работе этот источник не рассматривается). Нами предложен [4, 5] еще один источник, связанный с возможным существованием электрического поля в эруптивных корональных арках КВВ во время вспышки.

Значительная доля ускоренных частиц поглощается в плотных слоях атмосферы Солнца, и об их существовании можно судить по жесткому рентгеновскому (электроны) и гамма-излучению (ионы) вспышек. При ядерных взаимодействиях ускоренных ионов с частицами окружающей плазмы (на глубинах с локальной плотностью >1012 см-3) в атмосфере Солнца рождаются, в частности, быстрые вторичные нейтроны. После термализации в фотосфере они поглощаются ядрами водорода с образованием дейтерия и испусканием гамма-кванта с энергией 2.223 МэВ (линия нейтронного захвата, или линия дейтерия). Первые же наблюдения на космическом аппарате (КА) ЯИБ881 с высоким угловым разрешением [6] показали существенные различия в положении источников гамма- и рентгеновского (Х) излучений. Более того, во время первой вспышки, измеренной с высоким разрешением на КА ЯИБ881 (23 июля 2002 г.), оказалось, что источник гамма-излучения с энергией 2.223 МэВ (линия дейтерия) был один [6, 7], тогда как рентгеновское излучение с энергией >30 кэВ на импульсной стадии вспышки исходило, по меньшей мере, из трех разных областей [1, 8]. Во время другой мощной вспышки (28 октября 2003 г.), как и следовало ожидать, КА ЯИБ881 зафиксировал два источника в линии 2.223 МэВ [9]. Отсюда возникла задача объяснить существование одиночного и парного гамма-источников в различных вспышках.

Для интерпретации этих данных следует учесть расположение источников относительно фотосферных магнитных полей (МП), основных очагов эмиссии в разных диапазонах длин волн и магнитной конфигурации корональных арок, которые являются либо преградой, либо каналом для переноса ускоренных частиц [6, 7, 9]. На основе анализа многоволновых наблюдений ниже предлагается новый сценарий развития вспышек 23 июля 2002 г. и 28 октября 2003 г., в которых наблюдались одиночный и парный источники в линии 2.223 МэВ соответственно. При этом гамма-источники пространственно не совпадали с источниками жесткого рентгеновского излучения.

Ключевой момент нашего исследования — это использование двух вариантов топологии МП в короне с учетом его возможной (иногда наблюдаемой) асимметрии.

Вариант I(вспышка типа 23.07.2002 г.).

В эруптивной корональной арке быстрого КВВ происходит ускорение ионов электрическим полем (Е = 0.01—0.1 В-см1) по направлению от вершины арки к одиночному гамма-источнику, расположенному вблизи сильных МП вспышеч-ной АО [10]. После ускорения ионы оказываются захваченными в арке. При этом одно основание арки опирается на сильные МП, а другое на более слабые МП участков флоккулов, удаленных от вспышечной АО на расстояние 100—200 тыс. км. После отражения от магнитной пробки над пятном ускоренные ионы тормозятся электрическим полем и не достигают удаленного основания арки. Затем, поскольку электрическое поле в эруптивной арке существует в характерном временном интервале 6—20 мин, ускорение ионов и отражение от магнитной пробки многократно повторяются. Электроны в арке ускоряются по направлению от АО ко второму основанию, удаленному от АО, вызывая в нем тормозное излучение в рентгеновском диапазоне. Положение области излучения при этом пространственно совпадает с удаленными вспышечными уярчениями в линии На. При уходе корональной арки в составе КВВ в гелио-сферу захваченные ускоренные частицы пополняют поток СКЛ в межпланетном пространстве.

Вариант II(вспышка типа 28.10.2003 г.).

Инжекция ускоренных ионов и электронов в постэруптивную (стационарную) магнитную арку вспышечной корональной аркады происходит извне — из токового слоя над вершиной аркады. При этом ускоренные ионы и электроны захватываются в стационарной корональной арке, опирающейся на сильные магнитные поля АО, которые создают две магнитные пробки над тенью либо полутенью двух пятен. Два гамма-источника и два (не совпадающие с ними) источника в жестком рентгеновском диапазоне находятся вблизи двух оснований арки, разнесенных на расстояние ~30 тыс. км.

В обоих вариантах ядерные взаимодействия ускоренных ионов с окружающим веществом и, в частности, генерация быстрых вторичных нейтронов происходят в магнитной пробке [4], где ионы проводят большую часть своей жизни. Веерообразный разлет нейтронов из магнитной пробки приводит к смещению видимого фото-сферного гамма-источника в линии 2.223 МэВ относительно оснований корональных магнитных арок, содержащих захваченные ионы. Дополняя и развивая наши предварительные результаты [4, 5], ниже детально рассмотрим динамику ионов (протонов) в магнитной арке с током, за-

тем кратко проанализируем данные по вспышке 23 июля 2002 г., опишем возможную топологию МП в области вспышки. Далее возвратимся к анализу нейтрального излучения вспышки 23 июля 2002 г., а также обсудим применимость предложенной модели к другим гамма-вспышкам (19 октября 2001 г., 28, 29 октября и 2 ноября 2003 г.). При этом учитывается гамма-излучение не только в линии дейтерия, но и в линиях возбуждения других ядер солнечной атмосферы (интервал энергий ~4.1—6.7 МэВ). Как следствие модели, гамма-источник в линиях возбуждения, в отличие от источника линии нейтронного захвата, должен совпадать с областью взаимодействия (удержания) ускоренных частиц.

2. ДИНАМИКА ИОНОВ В МАГНИТНОЙ АРКЕ С ТОКОМ

Исследуем динамику ионов (протонов) в магнитной арке. Поскольку арка опирается на сильное фото

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»