КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2010, том 48, № 1, с. 72-80
УДК 523.165+523.985
ВЫСОКОЭНЕРГИЧНОЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК КАК ИНДИКАТОР УСКОРЕНИЯ ПРОТОНОВ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
© 2010 г. Виктория Г. Курт1, Б. Ю. Юшков1, К. Кудела2, В. И. Галкин1
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ 2Институт экспериментальной физики Словацкой АН, Кошице, Словакия Поступила в редакцию 17.02.2009 г.
С помощью детектора СОНГ на ИСЗ КОРОНАС-Ф было зарегистрировано гамма-излучение высоких энергий (>100 МэВ) в четырех солнечных вспышках. Выделение в последовательных спектрах гамма-излучения особенности, обусловленной генерацией и распадом нейтральных пионов, позволило с высокой точностью определить моменты появления в солнечной атмосфере протонов, ускоренных до энергий свыше 300 МэВ.
ВВЕДЕНИЕ
Энергия протонов, ускоренных во время мощных солнечных вспышек, согласно данным нейтронных мониторов (НМ) может достигать нескольких ГэВ. Такие события классифицируются как GLE (ground level enhancement). Минимальная энергия солнечных протонов, регистрируемых высокоширотными НМ, составляет примерно 450 МэВ за счет атмосферного поглощения, для других НМ она выше и определяется геомагнитным обрезанием. Появление протонов таких энергий может быть зарегистрировано не только в межпланетном пространстве, включая окрестности Земли, но и непосредственно на Солнце, т.е. в области ускорения. При взаимодействии протонов с энергиями выше 300 МэВ с веществом солнечной атмосферы в реакциях
р + р и р + а (1)
генерируются нейтральные я-мезоны (пионы), которые мгновенно распадаются на два гамма-кванта. Энергетический спектр этих гамма-квантов за счет допплер-эффекта представляет собой широкую линию с максимумом на 67 МэВ [1—3]. Помимо нейтральных пионов в тех же взаимодействиях протонов рождаются заряженные пионы, при распаде которых возникают электроны и позитроны, генерирующие при взаимодействии с веществом тормозное излучение, спектр которого тянется до энергий этих электронов и позитронов, т.е. до сотен МэВ. Кроме того, наряду с ионами во вспышках ускоряются электроны, генерирующие тормозное излучение со степенным спектром, продолжающимся до десятков МэВ. Поэтому для уверенного выделения в спектре излучения вспышки компоненты, обусловленной распадом нейтральных пионов, детектор должен иметь не
только высокую эффективность, но и достаточное энергетическое разрешение в области 50—200 МэВ.
В эксперименте с детектором СОНГ (Солнечные Нейтроны и Гамма-кванты) на ИСЗ КОРОНАС-Ф в четырех солнечных вспышках: 24.VIII.2001, 28.X.2003, 4.XI.2003 и 20.I.2005 г.г. были зарегистрированы потоки гамма-излучения с энергиями свыше 100 МэВ [4]. Основным детектирующим элементом прибора СОНГ является кристалл CsJ диаметром 20 см и высотой 10 см [5]. Используя функцию отклика детектора, промоделированную с помощью программы GEANT 3.21, мы выделили в этих вспышках спектральную особенность, обусловленную генерацией и распадом нейтральных пионов, и определили момент ее появления и, следовательно, момент появления в солнечной атмосфере протонов с энергиями свыше 300 МэВ в этих событиях. Рассмотрим подробнее отдельные события. Во всех случаях полное время наблюдения вспышек в нашем эксперименте не превышало 10— 15 мин, что определялось несколькими факторами: приходом заряженных частиц солнечных космических лучей (СКЛ), вхождением спутника в радиационные пояса, пробелами в телеметрической информации и т.д.
СОБЫТИЕ 25 АВГУСТА 2001 г.
Импульсная фаза солнечной вспышки 25.VIII.2001 г. (3В/Х5.3, гелиографические координаты S17 Е34) длилась не более 4—5 мин и характеризовалась постепенным увеличением общей интенсивности гамма-излучения и энергии ускоренных частиц. На рис. 1 приведен временной ход жесткого рентгеновского и гамма-излучения, зарегистрированного прибором СОНГ в нескольких энергетических интервалах (фон вычтен), а также
Рис. 1. Рентгеновское и гамма-излучение солнечной вспышки 25.VIII.2001 г. Кривая 1 — канал 1—8 А; 2 — 0.5—4 А; 3 — производная интенсивности излучения в канале 0.5—4 А (правая шкала).
теплового рентгеновского излучения, измеренного на ИСЗ GOES-10. Известно, что в импульсных событиях мягкое рентгеновское излучение представляет собой интеграл от энергии, внесенной во вспышечный объем ускоренными частицами (эффект Ньюперта) [6, 7]. Поэтому, кривая 3, которая показывает поведение производной интенсивности в канале 0.5—4 Ä, должна повторять временной ход жесткого рентгеновского излучения. Видно, что максимум производной совпал с возникновением фотонов высоких энергий. Интервалы времени I, II, III, выбранные для восстановления спектров излучения, отмечены на рис. 1 пунктирными вертикальными линиями, их границы соответствуют 16.28.0016.30.02-16.30.44 и 16.31.18-16.32.10 (здесь и далее используется мировое время UT). Перегрузка счетного канала с энергией 53-150 кэВ в интервале III вызвана высокой интенсивностью излучения.
На рис. 2 приведены спектры гамма-излучения этой вспышки. На этом и последующих рисунках сплошная кривая представляет рассчитанный спектр гамма-излучения, образующегося при распаде нейтральных и заряженных пионов (R. Murphy, частное сообщение). Этот спектр в основном
0.1 1 10 100
Е, МэВ
Рис. 2. Спектры гамма-излучения солнечной вспышки 25.VIII.2001 г.
Римские цифры соответствуют интервалам, обозначенным на рис. 1.
0.75-2 МэВ 2-6 МэВ
0 11.
11.04
11.08
11.10 ит
Рис. 3. Рентгеновское и гамма-излучение солнечной вспышки 28.Х.2003 г., измеренное детектором СОНГ.
совпадает с предыдущими расчетами [1—3]. Абсолютная нормировка рассчитанного спектра подогнана под наблюдаемую особенность в спектре. Видно, что небольшой вклад "пионной" компоненты в излучение наблюдается уже в интервале II, при этом поток фотонов на энергии 100 МэВ в это время не превышает 3 • 10-4 фотон см-1 МэВ-1. Интенсивность этой компоненты возрастает практически в 10 раз в 16.31.22 ± 4 с (см. рис. 1), т.е. вблизи момента максимального энерговыделения во вспышке, поток гамма-квантов на 100 МэВ равен 7.3 - 10-4 фотон см-2 с-1МэВ-1.
Из-за неблагоприятной локализации вспышки заряженные частицы в этом событии не были зарегистрированы, однако детектор СОНГ и НМ Ча-калтая зарегистрировали приход солнечных нейтронов [4, 8]. Этот факт, как и регистрация фотонов от распада нейтральных пионов, является неоспоримым свидетельством ускорения протонов до энергий в несколько сотен МэВ во время вспышки. Энергия солнечных нейтронов, оцененная по времени их пролета, составляет 200-400 МэВ [4].
СОБЫТИЕ 28 ОКТЯБРЯ 2003 г.
Эта гигантская вспышка (Х17.2/4В, 816 Е08) наблюдалась в мягком рентгеновском и в ^-диапазонах с 09.40 до 18.00. Начало импульсной фазы - начало основного энерговыделения этой вспышки -
согласно измерениям в различных диапазонах излучения было определено как 11.01-11.02 (см., например, [9-12], а также http://spidr.ngdc.noaa.gov/ spidr/; http://cdaw.gsfc.nasa.gov).
Возрастание жесткого рентгеновского излучения над фоновым уровнем, обусловленное солнечной вспышкой, было уверенно выделено прибором СОНГ на ИСЗ КОРОНАС-Ф, начиная с 11.02.11 и до 11.12.30. После этого отбор сигналов от гамма-квантов стал неоднозначным, т.к. в месте нахождения спутника появилось большое количество заряженных частиц, ускоренных в этом событии. На рис. 3 приведен временной ход излучения этой вспышки, зарегистрированный прибором СОНГ (фон вычтен), на котором хорошо видны по крайней мере два интервала (от 11.02.11 до 11.03.40 и до 11.06.12), в которых соотношения скоростей счета в разных каналах существенно различаются. Отметим, что так же, как и в предыдущем событии, длительность фронта нарастания интенсивности гамма-излучения высоких энергий сравнима с временным разрешением прибора, равным 4 с. Высокоэнергичное излучение длилось по крайней мере 530 с с некоторым указанием на квазипериодичность на фазе спада. Жесткое рентгеновское и гамма-излучение этой вспышки с самого начала импульсной фазы было зарегистрировано также прибором 8Р1 на ИСЗ ШТЕвЯЛЬ [10], при этом хорошо выделялись те же характерные интервалы.
ИСЗ ВЛЕ551 вышел из тени в 11.06 и регистрировал излучение лишь на фазе спада [13]. Вертикальными линиями на рис. 3 обозначены интервалы времени, выбранные для построения спектров гамма-излучения, представленных на рис. 4.
В интервале времени I (11.02.21—11.03.40) наблюдался степенной спектр, обусловленный тормозным излучением электронов и тянущийся вплоть до энергий фотонов 150 МэВ с изломом около 40 МэВ. В 11.03.51 произошло резкое увеличение потока гамма-квантов с энергиями свыше 40 МэВ, при этом форма спектра существенно изменилась — появилось характерное плато в области энергий 60— 150 МэВ, обусловленное распадом нейтральных пионов (см. рис. 4). Кроме того, тормозной спектр электронов стал значительно мягче. Поток гамма-квантов при энергии 100 МэВ равен 7.8 • 10-3 фотон см-2 с-1МэВ-1. Такая форма спектра сохраняется до 11.12 при постепенном снижении полной интенсивности. Подробное исследование нейтрального излучения, измеренного в этом событии, мы приводим в работе [14].
Отметим, что практически одновременно с увеличением потока гамма-квантов, обусловленного распадом пионов, на Солнце появился компактный источник радиоизлучения, наблюдавшийся на частоте 210 ГГц, локализованный в стороне от основного источника радиоизлучения [12]. Его положение совпадает с положением источника излучения в гамма-линии 2.223 МэВ, обусловленной радиационным захватом нейтронов, наблюдавшегося на ИСЗ ШЕ551 [13].
Большинство наземных детекторов (НМ) зарегистрировало приход ускоренных протонов в 11.12.30 ± 30 сек (ОЬБ № 65), при этом частицы пришли из антисолнечного направления [15, 16]. Это, скорее всего, объясняется неблагоприятными условиями регистрации заряженных частиц на Земле вследствие восточной локализации вспышки. Однако в интервале времени 11.05-11.06 НМ Цу-меб зафиксировал возрастание, интерпретированное как приход солнечных нейтронов высоких энергий [17-19]. Поток нейтронов был зарегистрирован и детектором СОНГ [4], их энергия была оценена по времени пр
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.