Астрономия
Корональная сейсмология -эффективный метод диагностики звездных корон
А. В. СТЕПАНОВ, доктор физико-математических наук, директор Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН
На рубеже XX и XXI вв. космические аппараты зарегистрировали на Солнце колебания коро-нальных магнитных арок -фундаментальной структуры корон звезд. Эти наблюдения поставили перед астрономами целый ряд вопросов: от происхождения корональных арок, характеристик их колебаний, физических параметров арок до теории солнечных и звездных вспышек. За последнее десятилетие ученым удалось не только продвинуться в понимании природы арок, но и создать новый, быстро развивающийся раздел астрофизики - корональную сейсмологию - эффективный метод диагностики звездных корон.
Важное открытие 60-х гг. прошлого века -обнаружение пятиминутных колебаний на Солнце. Возник новый раздел
ш
физики Солнца - гелио-сейсмология (Земля и Вселенная, 1977, № 6; 1983, № 3; 1992, № 2). Пятиминутные колебания являются волнами звукового типа (р-моды). Их спектр содержит чрезвычайно ценную информацию о внутреннем строении Солнца. В дальнейшем методы гелио-сейсмологии использовались при исследовании колебаний солнечных пя-
тен, протуберанцев, спи-кул. Успехи гелиосейсмо-логии и наблюдения ос-цилляций на звездах привели к созданию астро-сейсмологии (Земля и Вселенная, 2005, № 6). Интерес к волновым и колебательным процессам в коронах Солнца и звезд непрерывно возрастает в связи с их возможной существенной ролью в нагреве корон и ускорении солнечного и звездного ветра. Из наблюдений следует, что фундаментальной структурой корон являются магнитные арки. Вспышечно-актив-ная область на Солнце состоит из магнитных арок. Высокая степень запят-ненности фотосфер звезд поздних спектральных классов (у спектрально-двойной V833 Tau Тельца, например, пятна занимают 70% площади поверхности звезды, а на Солнце - менее 0.4%) дает ос-
© Степанов A.B.
3
тч
»У^ш
нование предположить, что арки формируют магнитную структуру корон звезд. Наблюдения ультрафиолетового излучения Солнца на спутнике "TRACE" (Transition Region and Coronal Explorer) с высоким пространственным разрешением выявили колебания корональ-ных арок. Это дало толчок к развитию нового перспективного направления астрофизики - ко-ронапьной сейсмологии, изучающей волновые и колебательные процессы
КОРОНАЛЬНАЯ АРКА -РЕЗОНАТОР ДЛЯ МГД-ВОЛН
Важная роль в интерпретации волновых и колебательных явлений в звездных коронах принадлежит магнитной гидроди-
в коронах звезд. Основателем корональной сейсмологии можно считать голландского астрофизика X. Розенберга, который впервые в 1970 г. связал секундные пульсации солнечного радиоизлучения с магнитогид-родинамическими (МГД) осцилляциями корональной арки, модулирующими радиоизлучение. Эта плодотворная идея нашла подтверждение в последующих наблюдениях и теоретических работах. Методы корональ-
намике. Корональная арка обычно более плотная, чем внешняя среда, а поэтому ее можно представить резонатором. В первом приближении колебания коро-нальных арок исследуют на примере однородного
Корональные магнитные арки активной области на Солнце, зарегистрированные научным спутником "TRACE" 23 марта 2000 г. Хорошо видна яркая горячая вспышечная арка. Фото. NASA.
ной сейсмологии привлекаются и для интерпретации пульсаций излучения звезд поздних спектральных классов в различных диапазонах спектра электромагнитного излучения.
В настоящее время в изучении корональных арок наиболее популярны два подхода:
- корональная арка -резонатор для МГД-волн,
- корональная арка -эквивалентный электрический (RLC) контур.
Интерес к осцилляци-ям арок связан не только с возможностью объяснения природы нагрева корон и ускорения звездного ветра, но и с совершенствованием методов диагностики параметров и физических процессов в корональных арках, в частности во вспышеч-ных арках. Мне хотелось бы уделить основное внимание именно диагностическим возможностям ко-рональной сейсмологии.
плазменного цилиндра, торцы которого вморожены в сверхпроводящую плазму фотосферы. Модель плазменного цилиндра в приближении несжимаемой среды привлекалась А.И. Ершковичем и
МГц
Интенсивность, произвольные единицы
Одно из первых наблюдений пульсирующей структуры радиоизлучения солнечной вспышки 16мая 1972г., выполненное австралийскими радиоастрономами на радиоспектрографе в Кулгуре (Новый Южный Уэльс). Вверху: динамический спектр радиоизлучения, то есть зависимость интенсивности радиоизлучения (яркости на кинопленке) от частоты и времени. Выделен фрагмент излучения с пульсирующей структурой в диапазоне 200-300 МГц, которое генерируется энергичными электронами, ускоренными вспышкой и удерживаемыми в корональной магнитной арке. Колебания арки приводят к модуляции излучения электронов. Внизу: временной профиль регулярных пульсаций с периодом 4 с на частоте 230 МГц в событии 16 мая 1972 г.
Время, с
A.A. Нусиновым (1971) для исследования колебаний кометных хвостов и хвоста магнитосферы Земли. Позднее В.В. Зайцев и A.B. Степанов (1975) учли сжимаемость плазмы и показали, что радиальные (sausage) колебания цилиндра (они называются
также быстрыми магнито-звуковыми - БМЗ) должны испытывать достаточно сильное затухание. Физический механизм такого акустического затухания был описан еще в XIX в. лордом Рэлеем: колебания арки вызывают возбуждение волн во внешней сре-
де, на что затрачивается энергия колебаний. Акустическое затухание отсутствует в плотной и "толстой" арке - идеальном резонаторе для БМЗ-волн. Это аналог полного внутреннего отражения волн. Здесь основную роль в затухании играют диссипа-
тивные процессы внутри арки.
Изгибные (kink) колебания арок при солнечных вспышках впервые были зарегистрированы спутником "TRACE". Анализируя такие колебания, В.М. На-каряков с соавторами об-
ратили внимание на их низкую добротность и сделали вывод об аномальном затухании изгибных колебаний арок. В частности, диссипация волн в арке из-за вязкости должна быть на 8-9 порядков больше классической, на-
Модельное представление радиальных быстрых магнитозву-ковых (sausage) и изгибных (kink) колебаний плазменного цилиндра (по М. Ашвандену).
пример число Рейнольдса должно иметь значение
Примеры колебаний корональных арок при вспышках 4 июля 1999 г. и 21 марта 2001 г., зарегистрированных научным спутником "TRACE" в ультрафиолетовой линии 171 А (по М. Ашвандену). Белые и темные структуры - различные положения арок. В первой вспышке (слева) колеблется лишь одна арка, а во второй вспышке осциллирует вся система арок. Масштаб приведен в секундах дуги. Ориентация: север-юг (NS), восток-запад (EW).
Возбуждения изгибных колебаний корональной арки ударной или быстрой магнитозвуковой волной от вспышки.
Re ~ 105-6 вместо классического 1014. Эта работа, опубликованная в 1999 г., вызвала поток статей, посвященных изучению ос-цилляций солнечных ко-рональных арок и причины их низкой добротности. A.M. Уралов предположил, что характер колеба-
Вспышка ♦
\\\
/ //
Ударная или БМЗ-волна
Изгибные колебания
Арка
' Основание арки
Основание арки
Амплитуда
0.014
0.008
0.002
01:56:30
01:57:30 01:58:30 01:59:30
Время, UT
~~7—г—-—гтт
Т'Т Н- Ц ///
/ / : : N.;
~~з—г—: : :
TttiiUi
м
Вспышка 8 мая 1998 г.: а) кривая блеска, зарегистрированная радиогелиографом №Ьеуата (17 ГГц), б) изображения источников рентгеновского излучения в каналах I (14-23 кэВ) и М1 (23-33 кэВ); космическая обсерватория "УоЬкоЬ" (Япония). 'Языки"плазмы в арке обусловлены баллонными возмущениями.
а
-400 -450 -500 -550 -600 -650
50 100150200250300
ний арок определяется дисперсионными свойствами среды (короны). Возникшие от внешнего возмущения, например от вспышки, колебания короны вовлекают в колебательный процесс и корональные магнитные арки. Низкая добротность изгибных колебаний арок объясняется дисперсионным расплывани-ем возникающего при вспышке импульса БМЗ-волн. Автор статьи - сторонник физически более ясного механизма быстрого затухания изгибных колебаний: колеблющиеся арки затрачивают значительную энергию на преодоление сопротивления среды. Образно говоря, это "рояль, брошенный в воду".
Кривизна магнитного поля и достаточно большая величина отношения газового давления плазмы к давлению магнитного поля (параметр р = 8пр/В2 > > 0.1-0.3) способствуют возбуждению в корональ-ных арках баллонной моды желобковой неустойчивости. Такие колебания возникают в результате суммарного действия дестабилизирующей силы, связанной с градиентом давления и кривизной маг-
Амплитуда
Ускоренные электроны
Область взаимодействия 0 004
0.002
1 **
I >
- I
1. • -
• **: Л" г л.
12 18 Период, с
0
6
нитного поля, и возвращающей силы натяжения магнитных силовых линий. Эта неустойчивость является одной из причин, препятствующих удержанию плазмы в лабораторных установках. В корональных арках баллонные возмущения проявляются в виде осциллирующих "языков" плазмы на внешней (выпуклой) стороне арок. При увеличении р возникает апериодический режим баллонной неустойчивости, который на Солнце сопровождается выбросом корональной массы и высокоэнергичных частиц в межпланетное пространство, что приводит к заметным изменениям в геофизической обстановке.
Приведем примеры диагностики вспышечных арок.
1. Наблюдения солнечной вспышки 8 мая 1998 г. в виде одиночной арки на частоте 17 ГГц на японском радиогелиографе и жесткого рентгеновского излучения (японская космическая обсерватория ТоИкоИ") свидетельствуют о баллонных колебаниях с периодом около 16 с, добротностью 25 и глубиной модуляции радиоизлучения 0.3. Из уравнений
Взаимодействие двух колеблющихся вспышечных арок. Слева: изображение арок во вспышке 28 августа 1999 г., полученное на радиогелиографе №Ьеуата (17ГГц). В центре: модель взаимодействующих арок, предложенная японским астрофизиком Ю. Ханаока. Справа: спектр ос-цилляций арок, построенный с помощью гармонического анализа.
для периода колебаний, их добротности и глубины модуляции излучения можно получить основные параметры плазмы корональ-ных арок: плотность,
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.