АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2011, том 88, № 10, с. 997-1007
УДК 523.98
ФИЗИКА СОЛНЕЧНЫХ ПОСТЭРУПТИВНЫХ АРКАД: ИНТЕРПРЕТАЦИЯ НАБЛЮДЕНИЙ НА РАДИОТЕЛЕСКОПЕ РАТАН-600 И КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ STEREO
©2011г. М. А. Лившиц1*, А. М. Урнов 2, Ф. Ф. Горяев2'3
Л. К. Кашапова4, И. Ю. Григорьева5, Т. И. Кальтман6
1Учреждение Российской академии наук Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова, Троицк Московской обл., Россия
2Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева, Москва, Россия
3Бельгийская королевская обсерватория, Брюссель, Бельгия
4Учреждение Российской академии наук Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск, Россия
5 Учреждение Российской академии наук Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, С.-Петербург, Россия
6С.-Петербургский филиал Учреждения Российской академии наук Специальной астрофизической обсерватории РАН, С.-Петербург, Россия Поступила в редакцию 14.12.2010 г.; принята в печать 27.12.2010 г.
Представлены результаты одновременных измерений потоков излучения постэруптивных аркад на Солнце в спектральных полосах 171, 195, 284 и 304 A по данным спутника STEREO и их микроволнового излучения на радиотелескопе РАТАН-600. Для определения дифференциальной меры эмиссии использован оригинальный вероятностный подход, развитый ранее А.М. Урновым, в котором при решении обратной задачи не требуется регуляризации, а получаемые результаты не зависят от выбранной сетки температур. Это позволило определить дифференциальную меру эмиссии в области температур примерно от 0.3 до 15 МК. Последующий расчет теплового магнитотормозного излучения в многотемпературной модели с убывающим с высотой магнитным полем дает спектр, аналогичный наблюдаемому на РАТАН-600. Тем самым показано, что во многих нестационарных событиях не слишком большой мощности тепловая многотемпературная модель вполне применима для объяснения излучения постэруптивных арочных систем, и нет необходимости привлекать излучение ускоренных частиц. Предлагаемая модель позволяет непосредственно оценить соотношение между магнитным и газовым давлениями в вершинах постэруптивных аркад и определить условия возникновения вторичных нестационарных процессов на фазе затухания основной вспышки.
1. ВВЕДЕНИЕ
Отличительной чертой вспышек является формирование и последующая эволюция петель, заполненных горячей плазмой. Как правило, первые петли появляются на изображениях в рентгеновских лучах или в линиях вакуумного ультрафиолета (ВУФ) вблизи источника импульсного энерговыделения, и затем система петель быстро распространяется вдоль нейтральной линии магнитного поля. В сколько-нибудь мощных процессах — С-, М- и Х-вспышках — часто развиваются последовательно несколько групп петель, объединяющихся в одну крупномасштабную систему на завершающейся стадии всего явления.
Е-таП:ша1^@та^.ги
Как известно, постэруптивные (ПЭ) аркады ранее наблюдались в хромосферных линиях, наиболее часто — в линии Ha. Они появлялись после максимума вспышки, и их высота постепенно увеличивалась, достигая примерно 30000 км. В очень редких случаях наблюдался уход ПЭ-аркады в межпланетное пространство (так называемые динамические вспышки по Швестке). Время жизни аркад находится в пределах от нескольких часов до нескольких суток. В прошедшем цикле активности аркады регулярно наблюдались на спутнике SOHO в нескольких диапазонах ВУФ, лучше всего — в области 195 Л. Наблюдения SOHO перекрывали диапазон температур от 0.1 МК до 3 МК. Важным фактом оказалось обнаружение на спутнике КОРОНАС-Ф долгоживущих образований в
линии иона MgXII 8.42 Л [1], свидетельствующих о наличии больших плазменных образований с более высокими температурами 6—15 МК. Эти источники, из-за своей формы получившие название "пауков", либо совпадают с ПЭ-аркадами, либо непосредственно примыкают к их вершинам.
Физически длительное существование горячей плазмы на стадии затухания вспышек связано с ее длительным нагревом, компенсирующим небольшие радиационные потери энергии. Доказательства продолжительного высвобождения энергии после импульсной фазы были получены, например, по данным радиогелиографов Нобеяма (17 ГГц) и ССРТ (5.7 ГГц) для мощной лимбовой вспышки 2 ноября 1992 г. [2]. Из многочисленных работ недавнего времени отметим работу [3], в которой было начато изучение холодной и горячей ПЭ-аркады по ее излучению в мягком и жестком рентгеновском диапазонах. Отметим также, что оценка времени охлаждения плазмы ПЭ-петель от температур около 4 х 106 К до 104 К была выполнена в [4].
Вспышка 2 ноября 1992 г. рассматривалась также в [5] по одновременным наблюдениям в мягком рентгеновском диапазоне и в линии На. В этой работе было высказано предположение, что газовое давление приближается к магнитному вблизи вершин петель. Такой вывод по данным КОРОНАС-Ф был получен в работе Гречнева и др. [6]. В этой же работе приведена основная литература по определению физических условий в ПЭ-аркадах.
Физические условия в плазме внутри самих аркад, особенно в начале их существования, зависят от процессов в начале вспышки. Основным фактором здесь является эффективность ускорения частиц и степень их удержания в магнитосфере активной области. Потоки ускоренных частиц, вторгаясь вблизи оснований петель в плотные слои атмосферы, приводят к процессу взрывного испарения, и горячая плазма заполняет корональные петли. Влияние ускоренных частиц на состояние плазмы в арках уменьшается со временем, если конечно не происходит повторных актов импульсного энерговыделения. До сих пор считалось, что ускоренные частицы вносят значительный вклад в микроволновое и рентгеновское излучение ПЭ-аркад, особенно в начальной стадии их жизни.
Данные РАТАН-600 начали привлекаться еще с 80-х гг. для интерпретации длительных событий — например, вспышки 22 сентября 1980 г. [7]. Всего по микроволновым данным с той или иной степенью детальности изучены около 10 случаев регистрации излучения ПЭ-аркад, развивающихся как на лимбе, так и в проекции на диск. Практически во всех случаях встречалась одна и та же
трудность, неподдающаяся логичной интерпретации. Наиболее подробно такая ситуация описана в статье [8], посвященной ПЭ-аркаде, развившейся после залимбовой вспышки 25 января 2007 г. В этой работе приводятся наблюдения, полученные на РАТАН-600 всего через полчаса после максимума С6.3-вспышки. Эволюция спектра источника микроволнового излучения оказалась весьма необычной: вначале спектр был плоским в диапазоне 1.8—5 см, а затем поток заметно спадал в сторону коротких волн. Плоский спектр в микроволновом диапазоне обычно связывается с тепловым излучением оптически тонкого изотермического источника. Поэтому наблюдения на РАТАН-600 означали, что при формировании арок должно существовать большое количество горячей плазмы. С другой стороны, по мере затухания явления спектр становился падающим в сторону коротких длин волн, что характерно для магнитотормозного излучения ускоренных частиц. Это противоречило наблюдениям в метровом диапазоне (ИЗМИРАН, эксперимент WIND/Wave), свидетельствовавшем об отсутствии указаний на наличие в это же время каких-либо нетепловых эффектов.
Для возможного решения возникшего противоречия на примере события 25 января 2007 г. мы использовали появившиеся наблюдения КА STEREO. Мы определили количество плазмы, обладающей различными температурами, и вновь вычислили спектр теплового магнитотормозного излучения. В данной статье в Заключении суммируются результаты работы и обсуждаются некоторые проблемы физики ПЭ-аркад.
2. НАБЛЮДЕНИЯ НА РАТАН-600
Регулярные многоволновые наблюдения Солнца на РАТАН-600 [9] проводятся с ноября 1974 г. В большинстве случаев это были наблюдения в меридиане, при прохождении Солнца через неподвижную диаграмму направленности телескопа. В последнее время для этих наблюдений используется антенная система, состоящая из Южного сектора антенны и плоского перископического зеркала (Ю+П). Это позволяет получать от нескольких до 61 одномерного разреза в день. С достаточной точностью определяются наблюдательные характеристики исследуемых источников радиоизлучения: положение на диске Солнца и за его пределами, поток излучения, угловой размер, процент круговой поляризации. Тщательно проводится выделение источника над уровнем излучения спокойного Солнца в центральной части солнечного диска и около лимба, учет и исключение паразитных сигналов в канале поляризации. Размер диаграммы
-1100 -1000 -900 -800" X
Рис. 1. Положение рентгеновского источника 6—12 кэВ (КНЕББ!; изолинии на уровне 90% и 60% от максимума) и скан источника на частоте 10.33 ГГц (РАТАН-600) относительно аркады, наблюдавшейся в 195 Л (БОНО). Все наблюдения выполнены в 08:18 иТ. Координаты отсчитываются от центра Солнца. Шкала ординат, показанная в правой части графика, соответствует превышению яркостной температуры источника над уровнем спокойного Солнца в единицах
104 К.
направленности антенной системы Ю+П по уровню половинной мощности составляет 17" х 13' на частоте 15 ГГц.
В ходе наблюдений Солнца в диапазоне 6—16 ГГц на РАТАН-600 в 7 азимутах с интервалом 35 мин было зарегистрировано микроволновое излучение развивающейся ПЭ-аркады в активном событии на восточном лимбе 25 января 2007 г., которое состояло из широкомасштабного коро-нального выброса массы (СМЕ) и связанной с ним вспышки С6.3 за восточным лимбом. Вспышка началась в 06:33 UT, причем основания корональных петель располагались за лимбом. В течение 3.5 ч над восточным лимбом наблюдался радиоисточник (рис. 1), максимум излучения которого проектировался на вершину формирующейся аркады, наблюдаемой в диапазоне 195 A на SOHO/EIT и на STEREO. Примерно в том же месте располагался корональный источник рентгеновского излучения при энергиях более 12 кэВ (RHESSI).
Максимум интенсивности микроволнового излучения проектируется на вершины аркад. Примерно до 9 ч аркада развивалась на юге, но затем начала появляться и ее северная часть. По наблюдениям на РАТАН-600 микроволновое излучение северной (новой) петельной системы стало хорошо заметно с 09:
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.