КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 1, с. 13-23
УДК 523.947;523.98-357;523.982
О РЕГИСТРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОНИЖЕННОЙ ЯРКОСТИ В ОБЛАСТИ СИЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛНЕЧНЫХ ПЯТЕН © 2015 г. В. М. Богод1, 4, Н. Г. Петерова1, Б. И. Рябов2, Н. А. Топчило3
1 СПб филиал Специальной астрофизической обсерватории РАН, г. Санкт-Петербург
2 Вентспилский международный радиоастрономический центр, Латвия, г. Вентспилс
3 Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург 4Санкт-Петербургский университет ИТМО, г. Санкт-Петербург vbog@sao.ru, peterova@yandex.ru Поступила в редакцию 22.03.2014 г.
Представлен обзор наблюдений активных областей, в которых отмечено явление депрессии радиоизлучения в радиоисточниках над крупными пятнами. Величина депрессии может быть значительной и достигать 2000—4000 К относительно окружающей температуры спокойного Солнца. Однако количество случаев сильной депрессии немного, что, по-видимому, связано как с особенностями и условиями наблюдений пятен, так и возможностями современных крупных радиотелескопов. Использование радиотелескопа РАТАН-600 с высоким спектральным разрешением 1% позволило установить, что это явление наблюдается в ограниченном диапазоне длин волн (1.7—3.0) см. Благодаря специальной методике поляризационных измерений на РАТАН-600 показано, что эффект депрессии излучения имеет место в излучении обыкновенной моды, тогда как в необыкновенной моде источник излучения над пятном всегда остается ярче окружающего фона. В данной работе рассмотрены две новые активные области, в которых зарегистрировано явление депрессии и проведено сопоставление с данными радиогелиографа МоЯЫ, ССРТ и данными КА. Измерены величины магнитных полей над пятнами, при которых область генерации как необыкновенной, так и обыкновенной волн проникает в область корональных температур. На основе совокупности наблюдательных данных проведено моделирование явления депрессии, указывающее на понижение электронной плотности и аналогию с корональными дырами. Обсуждаются возможные направления исследований данного явления.
Б01: 10.7868/80023420615010021
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования солнечных пятен и атмосферы над пятнами ведутся с применением различных методов, в том числе, развитых в микроволновом диапазоне длин волн. Преимуществом этих методов, по сравнению с другими диапазонами, явля-
ется возможность изучения сильных магнитных полей (МП) пятен в переходной области хромосфера-корона. Установлено, что микроволновое излучение источника, расположенного над солнечным пятном, объясняется совместным действием двух механизмов — теплового тормозного излучения и циклотронного излучения тепловой
(2—4 МК) плазмы в сильных магнитных полях пятен (2000—4000) Гс на низких гармониках гироча-стоты, преимущественно 2-й и 3-й [1]. Предложено несколько моделей источника циклотронного излучения (ИЦИ), в общих чертах, согласующихся с результатами наблюдений. Однако, наблюдения с помощью крупных радиотелескопов и радиогелиографов продолжают обнаруживать новые особенности в структуре радиоизлучения
активных областей, такие как: депрессия радиоизлучения над пятном [2, 3, 4], инверсии знака круговой поляризации [5], как по времени [6], так и по частоте [7], неоднородности в высотной структуре магнитного поля [8] и др. С другой стороны, благодаря моделированию и расчетам циклотронного излучения были обнаружены новые особенности (серповидность и провал излучения в центре радиоисточника) в зависимости от долготы активной области (АО) [9], которые впоследствии были подтверждены в наблюдениях на крупных инструментах [10].
В целом, для построения адекватной модели переходной области хромосфера—корона над солнечным пятном требуются наблюдения, позволяющие выявить тонкую структуру ИЦИ. Для этого необходимы данные, получаемые с достаточно высоким пространственным и частотным разрешением, высокой чувствительностью измерений потока и степени поляризации излучения. В настоящее время нет инструмента, обладающего возможностью удовлетворить всей совокупно-
Рис. 1. Примеры регистрации в антенных температурах двух крупных пятен на волне (1.83/1.84) см на радиотелескопе РАТАН-600, над которыми регистрировалась область депрессии в о-моде излучения. Слева — сканы пятна в МОЛЛ 10105, наложенные на фотогелиограмму БОИО/М01, справа — сканы пятна в МОЛЛ 10898, наложенные на магнитограмму £ОНО/МВ!.
сти этих требований. Крупные рефлекторные радиотелескопы имеют высокую чувствительность по потоку излучения, высокую точность поляризационных измерений, но имеют ограничения в пространственном разрешении. Радиогелиографы, напротив, обладают высоким (единицы и десятки угловых секунд) двумерным разрешением, а также высоким временным разрешением, но имеют ограничения в чувствительности для плотности потока и точности поляризационных измерений. Они обычно предназначены, в основном, для изучения мощных процессов на Солнце, и потому их трудно использовать для изучения слабоконтрастных объектов. Радиотелескоп РАТАН-600 является инструментом промежуточного типа. Он обладает высокой чувствительностью при измерении потока излучения и исследовании поляризации, и в отличие от всех ныне действующих крупных радиотелескопов мира, имеет высокое спектральное разрешение в очень широком (несколько октав) диапазоне длин волн. В настоящее время оно доведено до 1% [11]. Возможности РАТАН-600 ограничены одномерностью изображения и отсутствием непрерывного слежения. Эти трудности преодолеваются путем отбора наблюдательного материала, хорошо изолированного от влияния других объектов, одновременно попадающих в ножевую диаграмму направленности (ДН) РА-ТАН-600, а также использованием режима квазислежения со скважностью около 8 минут времени в течение 4-х часов вблизи момента прохождения центрального меридиана (ПЦМ) [12].
Не удивительно, что вследствие ограниченных возможностей средств наблюдений, слабоконтрастный эффект понижения яркости ИЦИ, которому и посвящена настоящая работа, остается мало исследованным. Указания на сильное различие в интенсивности излучения (е-мода)/(о-мода) ~(10—100) встречались довольно давно [8, 13—15]. Однако обзор литературы свидетельствует о том, что почти во всех случаях яркость о-моды не была ниже фоновой температуры спокойного Солнца.
И только в двух работах есть упоминание об этой особенности поляризованного излучения ИЦИ. Первое реальное указание на наличие депрессии в о-моде излучения (глубиной ~4500 K) было получено по наблюдениям на VLA [14]. Вторая работа [15], выполненная по анализу наблюдений на NoRH [16], весьма кратко отмечает возможную депрессию в о-моде излучения с глубиной около 1000 К.
Депрессия ИЦИ в о-моде излучения по наблюдениям на РАТАН-600 была впервые выделена в активной области NOAA 10105 (сентябрь 2002 г.), ввиду необычного поведения поляризации излучения, понять которое удалось, анализируя наблюдения как в параметрах (I, V), так и (R, L). При этом депрессия была "открыта" в о-моде излучения [2] и названа как область SSRRB (SunSpot Region of Reduced radio Bridghtness), причем во многом благодаря тому, что эффект в случае NOAA 10105 был значительным — яркостная температура на нескольких коротких волнах в этой моде опускалась до значений ~4000 К (см. рис. 1). Достоверность результата подтвердилась путем со-
поставления с наблюдениями на радиогелиографе МоЯИ. С тех пор эти исследования продолжаются, уже имеется более 10 случаев наблюдений, где такой эффект проявляется наиболее отчетливо.
В настоящей работе мы приводим обзор наблюдений явления депрессии, выполненных на разных инструментах, приводим методику анализа на примере двух активных областей — МОЛА 10325 (2003 г.) и МОЛЛ 11289 (2011 г.), применяем спектрально-поляризационные наблюдения с высоким 1% частотным разрешением, которые выполняются на РАТАН-600 для исследования тонкой структуры атмосферы над пятном. Показано, что в таких исследованиях важно сочетание большой эффективной площади радиотелескопа с анализом спектра в коротковолновой части сантиметрового диапазона, где начинает эффективно действовать циклотронное излучение наряду с тепловым тормозным излучением. Определенные надежды в развитии этих исследований возлагаются на поляризационные наблюдения в миллиметровом диапазоне волн.
Обсуждение возможных механизмов явления депрессии радиоизлучения приведено в разделе "дискуссия".
2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
НА РАТАН-600 И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
Приведем несколько наиболее ярких примеров регистрации области пониженной яркости (88ЯЯВ) в о-моде излучения над солнечным пятном по наблюдениям на радиотелескопе РАТАН-600. Впервые такая область была замечена при исследовании структуры и динамики очень крупного одиночного пятна в активной области МОЛЛ 10105 (сентябрь 2002 г.), отличавшегося стабильностью морфологии и магнитного поля. На рис. 1 (слева) приведены одномерные сканы МОЛА 10105 в обеих поляризациях. Пунктиром отмечен уровень фоновой окружающей температуры. Депрессия излучения, зарегистрированная в о-моде, точно совпадает с тенью пятна. Справа на рис. 1 приведены аналогичные ска-ны для активной области МОЛЛ 10898. Оба примера относятся к наиболее контрастным случаям наблюдений 88ЯЯВ с помощью РАТАН-600, более подробное описание структуры и динамики этих АО содержится в [2].
Каждый случай наблюдений 88ЯЯВ подвергается детальному анализу с учетом особенностей исследуемой АО и обстоятельств наблюдений, и ниже такой анализ приводится для двух других АО - МОЛЛ 10325 и МОЛЛ 11289.
2.1 Анализ излучения активной области NOAA 10325. Рассматриваемое явление (88ЯЯВ) наблюдается довольно редко, что указывает на многочисленные возникающие ограничения, которые могут быть как инструментального пла-
на (ограничения по пространственному разрешению, по частотному диапазону, чувствительности, поляризации и др.), так и по условиям наблюдений (расположение активной области относительно меридиана, окружающая структура, влияние QT эффектов, недостаточные размеры пятен, напряженность магнитного поля в пятне и др.).
Активная область МОЛЛ 10325 (широта ф = М11, момент прохождения централь
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.