СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ

Научно-техническое обоснование
космического эксперимента
«Регистрация электромагнитного излучения Солнца в терагерцовом
диапазоне для исследования процессов ускорения и взаимодействия
заряженных частиц в солнечной атмосфере»
(шифр: «СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ»)
1. Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние
вопроса.
КЭ направлен на изучение пространственно-временных свойств
неисследованного ранее солнечного терагерцового излучения, как спокойного
Солнца, так и его активных проявлений (солнечных вспышек, выбросов
корональной массы, и т.д.), исследование активных нестационарных процессов
на Солнце, физических механизмов и условий ускорения электронов, протонов
и ядер на различных фазах развития солнечных вспышек и определения обилия
и плотности элементов в области генерации терагерцового-излучения.
В ряде солнечных вспышек, зарегистрированных в последние годы на
радиочастотах от нескольких ГГц (109 Гц) до 400 ГГц, обнаружено наличие
четкой 2-х компонентной структуры в частотном спектре излучения. Первая из
них соответствует хорошо известному микроволновому спектру с максимумом
потока на частотах несколько десятков ГГц, а 2-я компонента, не
наблюдавшаяся ранее, отчетливо демонстрирует значительный рост потоков
излучения с ростом частоты в области ~ 200-400 ГГц и выше. Именно в этой
области частот (свыше 100 ГГц) необходимы тщательные измерения
пространственно-временных характеристик солнечного излучения вне земной
атмосферы (на спутниках), где отсутствует поглощение этого излучения.
В связи с обнаружением такой двухкомпонентной структуры было
предпринято немало попыток теоретического объяснения, которые включали в
себя источники излучения такие как излучение, возникающее в результате
свободно-свободных переходов электронов (free-free collisions), синхротронное
излучение высокоэнергичных электронов и позитронов, лэнгмюровские волны,
возбуждаемые пучками электронов и протонов в плотном веществе в центре
активной области и обратный Комптон-эффект. В последние 3 года появилось и
другие модели, основанные на излучении Вавилова-Черенкова в
гипотетическом частично ионизованном хромосферном газе и на обратном
Комптон-эффекте фотонов в поле. Рассматривается также возможность
ускорения частиц, при котором энергичные электроны на малых высотах
инжектируются в разные участки магнитных петель, испуская при этом субтерагерцовое излучение (сотни ГГц) в сильных магнитных полях (тысячи
Гаусс). По мере продвижения этих электронов в слабые магнитные поля (в
вершину магнитных арок) появляется микроволновое синхротронное
излучение.
Для определения адекватного физического механизма солнечных
вспышек и соответственно, установления процесса излучения в диапазоне 100
ГГц – несколько 1000 ГГц (несколько ТГц) необходимо проведение
внеатмосферных измерений этого излучения. Только новые терагерцовые
данные и их анализ, совместно с доступными данными измерений вспышечного
рентгеновского, оптического, инфракрасного и гамма-излучений, позволят
существенно продвинутся в этом важном фундаментальном научном
направлении. Существуют каталоги систематических измерений гаммаизлучения в жестком рентгеновском и гамма-диапазонах, однако полученных к
настоящему времени результатов явно недостаточно для выявления каких-либо
закономерностей или корреляций в характеристиках механизмов ускорения и
прогноза развития вспышек.
Планируется проведение экспериментальных наблюдений
радиоизлучения спокойного Солнца, активных областей и собственно
процессов вспышечного энерговыделения на Солнце. Такие исследования
позволят получить уникальный материал для развития физики и астрофизики
высоких энергий применительно к Солнцу и другим астрофизическим
объектам.
Тщательное измерение терагерцового излучения Солнца имеет, кроме
научной составляющей, важное прикладное значение, в частности, для
прогнозирования мощных солнечных вспышек на Солнце и их возможного
воздействия на межпланетное пространство, земную магнитосферу, на
атмосферные процессы и на электронные космические системы, наземные
энергетические установки и коммуникационные системы.
2. Необходимость проведения КЭ в условиях пространства в составе
РС МКС.
Исследования терагерцового излучения солнечных вспышек могут
проводиться только за пределами земной атмосферы из-за его высокого
поглощения в атмосфере.
Орбита МКС очень удобна для проведения измерений в терагерцовом
диапазоне, так как она практически полностью проходит под радиационными
поясами. Используемая аппаратура имеет достаточно широкое поле зрения,
поэтому на данном этапе для нее достаточно штатной платформы с системой
ориентации на Солнце. Причем массогабаритные характеристики прибора
таковы, что монтаж и обслуживание прибора не вызовет затруднений у
экипажа.
3. Описание КЭ
3.1. Цели и задачи проведения эксперимента
3.1.1. Изучение энергетических спектров и временных изменений потоков
электромагнитного излучения солнечных вспышек в терагерцовом диапазоне от
1 до 10 (20) ТГц
3.1.2. Получение новых научных данных мирового уровня, необходимых
для объяснения механизмов ускорения электронов, протонов и ядер в на
Солнце;
3.1.3. Создание методик прогнозирования радиационной обстановки в
околоземном пространстве, базируясь на информации о вспышках на Солнце,
получаемой в разных диапазонах электромагнитного излучения;
3.1.4. Создание новых приборов космического базирования и методов
исследования ЭМИ в терагерцовом диапазоне;
3.1.5. Изучение фоновых условий при проведении измерений
терагерцового излучения от астрофизических объектов на РС МКС.
3.1.6. Отработка методики измерений и выработка технических
требований к аппаратуре терагерцового диапазона для дальнейших
исследований солнечной активности на автоматических космических
аппаратах.
3.2. Порядок проведения КЭ
Предполагается провести непрерывный мониторинг солнечной
активности и фона космического излучения с целью изучения эволюции
амплитудных спектров и временных профилей терагецового излучения с
высоким энергетическим и временным разрешением
Начало эксперимента.
После установки и подсоединения к бортовым системам РС МКС
аппаратура включается и работает в непрерывном режиме.
Перерывы в эксперименте.
Перерывы в работе аппаратуры могут возникать по следующим
причинам:
-
полное затенение прибора корпусом станции;
-
возникновение нештатных ситуаций в НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ;
-
возникновение нештатных ситуаций в бортовых системах РС МКС
или в связи с производственной необходимостью.
При перерывах вследствие затенения, НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ замеряет
фоновое излучение в терагерцовом диапазоне или приводится в исходное
состояние и отключается, в соответствии с согласованной командной
циклограммой (в экстренных ситуациях допускается снятие питания с
последующим приведением прибора в исходное состояние в соответствии с
командной циклограммой).
После завершения перерыва НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ включается в
соответствии с командной циклограммой. Никаких специальных требований к
служебным системам или условиям на РС МКС в момент включения прибора
не предъявляется.
Завершение эксперимента
Запланированная продолжительность эксперимента при отсутствии
каких-либо причин (оснований) для его прекращения должна составлять не
менее 3-х лет. Основанием для досрочного прекращения эксперимента может
являться:
-
неустранимая неисправность НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ;
-
невозможность передачи полученных экспериментальных данных;
-
нештатные ситуации в бортовых системах РС МКС.
После завершения эксперимента НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ отключается и
демонтируется в соответствии с установленным на РС МКС порядком.
3.3.
Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ
При подготовке и проведении эксперимента необходимо выполнение
следующих требований:
-
продольная ось блоков СT-БД при установке
НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ на РС МКС, должна быть ориентирована в
направлении, обеспечивающем максимальное время нахождения Солнца в поле
зрения НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ (определяется по результатам расчетов);
-
никакие посторонние предметы, или элементы станции не должны
находиться в поле зрения НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ;
-
в НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ из бортового служебного комплекса
должен поступать код бортового времени (КБВ) и синхрочастота 1 кГц.
Расхождение между бортовой и наземной шкалами времени должно быть
известно с точностью не хуже 10-3 с;
-
научная информация должна сопровождаться навигационными
данными о местоположении МКС относительно Земли? с точностью 100 м и
ориентации осей РС МКС с точностью 10;
-
в процессе измерений контрольно-служебная и часть научной (объем
по согласованию) информации должны ежедневно передаваться на наземный
приемный пункт и затем быть доступны для постановщика эксперимента;
-
для корректировки режимов работы научной аппаратуры должна быть
обеспечена возможность передачи в НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ команднопрограммной информации по согласованным интерфейсам.
3.4. Технические особенности НА
НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ представляет собой полупроводниковый
детектор терагерцового диапазона.
Для соединения между собой и со служебными системами кабельной
сетью на модулях установлены разъемы. Для функционирования аппаратуры
необходимо подключение цепей питания, управления и передачи данных.
НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ должна регистрировать терагерцовое
излучение в частотном диапазоне 1 - 20 ТГц с частотным разрешением не хуже
0,5 ТГц.
Угол зрения 5 угловых градусов относительно продольной оси.
Временное разрешение не хуже 0,2 с.
4.Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с
аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями.
Следует отметить, что эксперимент направлен на исследование ранее
неизученного, терагерцового диапазона электромагнитного излучения Солнца,
Новые данные позволят обнаружить принципиально новые факты и
закономерности в физической природе солнечной активности.
Наземные наблюдения Солнца в терагерцовом диапазоне частот
невозможны вследствие его сильного поглощения в земной атмосфере. В
последние годы, измерения в примыкающему к нему субмиллиметровому
диапазону длин волн электромагнитного излучения (например, на частотах 210
и 405 ГГц) привели к обнаружению новой особенности спектра солнечного
электромагнитного излучения: увеличение излучения в субмиллиметровом
диапазоне. Теоретические модели, направленные на объяснение этого
феномена, крайне нуждаются в новых экспериментальных данных, особенно в
терагерцовом диапазоне (1-20 ТГц). Проведение данного эксперимента в
космосе позволит расширить диапазон наблюдаемого излучения, получить
ранее недоступные данные, которые в совокупности с данными в смежных
областях об электромагнитном излучении позволят прояснить физическую
природу ускорения заряженных частиц на Солнце.
Проведение подобных экспериментов с отечественными или
зарубежными приборами на ближайшие годы (до 2016 г.) не планируется.
По сравнению с ранее проведенными исследованиями новизна,
предлагаемого КЭ заключается в следующем:
-
исследование терагерцового излучения Солнца впервые будет
проводиться на МКС;
-
для исследования спектров и временного поведения терагерцового
излучения солнечных вспышек впервые будет применяться
полупроводниковый детектор без криогенного термостатирования, в результате
чего в НА полностью отсутствуют какие-либо расходные материалы и
реактивы.
По чувствительности НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ сможет регистрировать
излучение солнечных вспышек класса С и выше при нахождении Солнца
вблизи продольной оси блока детекторов.
5. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
5.1. Основными результатами КЭ будут следующие:
5.1.1. При проведении эксперимента в течение 3-х лет ожидается, что
прибор сможет зарегистрировать терагерцовое излучение от 20-30 солнечных
событий и получить его частотные и временные характеристики.
5.1.2. Величины, частотные спектры и временное поведение фона
терагерцового излучения на орбите МКС в частотном диапазоне 1 - 20 ТГц.
5.1.3. Подтверждение эксплуатационных характеристик
НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ в условиях выведения и функционирования на
орбите.
5.2.
Результаты предполагается использовать:
5.2.1. Ввиду отсутствия данных по солнечным вспышкам в области
частот 1 - 20 ТГц, все полученные в КЭ СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ научные
результаты будут иметь высокую значимость и востребованность.
5.2.2. Данные эксперимента позволят выработать рекомендации о
целесообразности планирования дальнейших исследований терагерцового
излучения от астрофизических объектов на РС МКС и условиях их проведения.
5.2.3. Отработанные методы измерений, примененные в
НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ, будут использованы при проектировании
аппаратуры для дальнейших исследований солнечной активности на
специализированных автоматических космических аппаратах.
5.2.4. Методы измерений, примененные в НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ,
могут быть использованы службами Системы контроля космического
пространства (СККП) Российской Федерации, в сочетание с методами
обнаружения объектов в других частотных диапазонах.
6. Обоснование технической возможности создания
НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ с заданными характеристиками.
Сотрудники ФИАН имеют большой опыт в создании и эксплуатации
аппаратуры для проведения космических экспериментов по исследованию
солнечной активности на КА.
ФИАН был головной организацией по проекту «ПАМЕЛА» и имеет
квалифицированные кадры, аттестованные помещения, рабочие места и
измерительную аппаратуру для выполнения работ.
Все планируемые к использованию в НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ
материалы, ЭРИ, конструкционные элементы, методы измерений пройдут
отработку в наземных условиях и на борту высотного аэростата.
Все вышеизложенное обосновывает техническую возможность создания
НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ с заданными характеристиками.
7. Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с
КЭ.
Эксперимент СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ не предъявляет дополнительных
требований к штатно используемым средствам обеспечения сеансов работы
аппаратуры.
Аппаратура в течение всего КЭ работает в непрерывном режиме, за
исключением возможных нештатных ситуаций. Управление работой
аппаратуры осуществляется согласно циклограммам.
Воздействия радиационного и вибрационного характера, превышающие
фоновый уровень, на РС МКС со стороны НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ
отсутствуют.
Химреактивов и газов в составе НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ нет.
НА СОЛНЦЕ-ТЕРАГЕРЦ пожаро-взрыво-безопасна.
Риск и дискомфорт для экипажа, связанные с КЭ, будут минимальными.
Список литературы
1. Kaufmann, P. , et al., A Synchrotron/Inverse Compton Interpr. of a Solar
Burst Producing Fast Pulses at 3mm Wavelength and Hard X-Rays, Astron.Astrophys.,
157, p. 11-18, 1986.
2. Kaufmann P., et al., A new solar burst spectral component emitting only in
the Terahertz range, Astrophys.J,. 603, p. L121-L124, 2004.
3. Kaufmann P., et al., Sub-terahertz, Microwaves and High Energy Emissions
During the 6 December 2006 Flare, at 18:40 UT, Solar Phys. 255, p.131-142, 2009.
4. Silva A.V.R., et al., Evidence that Synchrotron Emission from Nonthermal
Electrons Produces the Increasing Submillimeter Spectral Component in Solar Flares,
Solar Phys., 245, p. 311-326, 2007.
5. Sakai J.I., et al., Simulating the emission of electromagnetic waves in the
terahertz range by relativistic electron beams, Astron.Astrophys., 457, p. 313, 2006.
6. Sakai J.I. and Y. Nagasugi, Emission of electromagnetic waves by proton
beams in solar plasmas, Astron.Astrophys., 474, p. L33, 2007.
7. Fleishman G.F., and E.P. Kontar, Sub-THz radiation mechanisms in solar
flares, Astrophys. J. 709, p. L127-L132, 2010.
8. Kaufmann P., Makhmutov V. S. , Stozhkov Y. I. , C. G. Gimenez de Castro,
J.-P. Raulin, A. S. Valio, E. Correia, T. Villela, R. Marcon, A. Marun, P. Pereyra.
Search for continuum solar flares radiation in the terahertz range. In IRMMW-THz
International Society of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Rome, Italy.
Conference paper Mo-F3.1, September 2-10, 2010.
9. Kaufmann P., Correia E., Fernandes L., Gimenez de Castro G., Kudaka A.,
Raulin J.-P., Valio A., Marcon. R., ...,Nicolae V., Timofeevsky A., ..., Hurford G.,
Lin R., Makhmutov V.S., Stozhkov Y.I., ..., Villela T., The development of THz
photometers to observe solar flares from a stratospheric platform, MOMAG 2012,
congregará o 15º SBMO – Simpósio Brasileiro de Micro-ondas e Optoeletrônica e o
10º CBMag – Congresso Brasileiro de Eletromagnetismo, 2012.
10. Махмутов В.С., В.Г. Курт, Б.Ю. Юшков, В.В. Гречнев, П. Кауфманн,
Ж.-П. Ролан, Г.А. Базилевская, Ю.И. Стожков, Cпектральные особенности
высокоэнергичного Х-, гамма- и субмиллиметрового радиоизлучения в
импульсной фазе солнечной вспышки, Изв. РАН, сер. физ.-я, т. 75, № 6, с. 796799, 2011.
11. Makhmutov V.S., Bazilevskaya G.A., , Stozhkov Y.I., , Raulin J.-P., Sonocco
C., Correia E., Marun A., Solar proton event on January 23, 2012, Proc. 33rd ICRC, SH2013-0833, p.4, 2013.
12. Makhmutov V., J-P. Raulin, .R. R. S. De Mendonca, G. A. Bazilevskaya, E.
Correia, P. Kaufmann, A. Marun, G. Fernandez and E. Echer, Analysis of cosmic ray
variations observed by the CARPET in association with solar ares in 2011-2012, Journ.
Physics., doi:10.1088/1742-6596/409/1/012185, v. 409, 2013.