Наблюдения рентгеновских вспышек на солнце с

Наблюдения рентгеновских вспышек на Солнце...
B.И. ВЫБОРНОВ, М.А. ЛИВШИЦ1
Физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова Москва
1
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн
имени Н.В. Пушкова РАН, Троицк, Московская обл.
НАБЛЮДЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ВСПЫШЕК НА СОЛНЦЕ
С ОКОЛОМАРСИАНСКОЙ И ОКОЛОЗЕМНОЙ ОРБИТ
Анализируются данные о нескольких вспышках, которые наблюдались аппаратурой ИКИ РАН, установленной
на космическом аппарате «Mars Odyssey». Эти данные рассматривались вместе с доступными результатами наземных и
внеатмосферных наблюдений. Особое внимание уделяется явлениям, происходящим близ лимба. Рассмотрены характеристики вспышек и особенности их возникновения в группах пятен различной площади.
Космический аппарат «Mars Odyssey», запущенный 7 апреля 2001 года, предназначался
главным образом для исследования Марса. В состав аппаратуры этого КА входил гамма спектрометр GRS [1], включающий в себя разработанный в ИКИ РАН прибор HEND (High Energy Neutron
Detector). Помимо излучения, идущего от Марса, эта аппаратура позволяла регистрировать жесткое рентгеновское и гамма-излучение солнечных вспышек, а также ускоренные частицы. При полете к Марсу с 7 апреля по 24 октября 2001 г. и на орбите около Марса было зарегистрировано
около 30 мощных солнечных вспышек, и сейчас готовится каталог этих событий прошедшего
цикла солнечной активности. В настоящее время продолжается работа этой аппаратуры.
В приборе HEND сцинтиллятор из стильбена окружен внешним детектором антисовпадательной защиты на основе кристалла CsI. Внешний и внутренний сцинтилляторы обеспечивают
регистрацию фотонов в области энергий 30 кэВ – 2 МэВ. Временные профили солнечных всплесков получаются внешним детектором с разрешением 0.25 с. Максимум полосы чувствительности
располагается около 80 кэВ. Профили гамма-излучения получались внутренним детектором с разрешением 1 с. Здесь максимум полосы чувствительности приходился на 330 кэВ. Кроме того, каждые 20 с регистрировались спектры в каждом сцинтилляторе в 16 энергетических каналах. Более
подробное описание аппаратуры HEND применительно к изучению Солнца содержится в [2, 3].
КА «Mars Odyssey» предоставляет две новые возможности изучения солнечных вспышек.
Первая – это регистрация жесткого излучения, идущего со стороны Солнца, невидимой с Земли.
Это позволяет изучать вспышки и активность групп пятен на невидимой с Земли стороне Солнца.
Также, используя совместно «Mars Odyssey» и другие аппараты, можно производить «стереоскопические» наблюдения. Например, если активная область наблюдается с Земли на лимбе или чуть
за лимбом, то может возникнуть ситуация, когда та же область наблюдается с околомарсианской
орбиты в проекции на диск. Такие стереоскопические наблюдения в принципе позволяют получать новую информацию о локализации источников жесткого излучения, его возможной направленности. Вторая – это то, что данные, полученные с космического аппарата «Mars Odyssey», дополняют уже имеющийся наблюдательный материал по жесткому излучению от вспышек на
Солнце, заполняя отдельные пропуски в наблюдениях с околоземных орбит и расширяя в некоторых случаях общий временной интервал рентгеновского мониторинга отдельных активных областей.
По данным, полученным прибором HEND, можно делать выводы об ускорении частиц на
Солнце. Это возможно вследствие того, что прибор обеспечивает регистрацию области перехода
от рентгеновского излучения пучков электронов с энергиями в десятки кэВ, возникающих в процессе вспышек, к гамма-излучению, возникающего в результате взаимодействия релятивистских
частиц с окружающей плазмой. Наиболее простой способ использования прибора HEND для изучения Солнца – применять его в качестве двухканального фотометра. Первый – рентгеновский –
канал в таком случае характеризуется эффективной (т.е. для типичного спектра рентгеновского
излучения вспышек) энергией около 80 кэВ, второй канал – гамма-излучения – около 330 кэВ.
Первый канал ориентирован на наиболее часто встречающееся излучение большого числа электронов, ускоренных до энергий порядка 100 кэВ, второй – на излучение, связанное с частицами
высокой энергии, в диапазоне солнечных космических лучей (СКЛ). Помимо этого, с помощью
сцинтилляционных и пропорциональных счетчиков прибора HEND возможна регистрация СКЛ в
межпланетном пространстве и вблизи Марса. Очевидно, что эти данные очень полезны для изучения процесса ускорения частиц на Солнце и их дальнейшего распространения.
Здесь мы кратко остановимся на результатах изучения рентгеновского излучения вспышек,
наблюдаемых аппаратурой HEND. Прежде всего, представляет интерес анализ заходов и восходов
Наблюдения рентгеновских вспышек на Солнце...
источников. В некоторых случаях серии слабых всплесков наблюдаются в эти периоды. По исчезновению или появлению источников, связанных со слабыми вспышками, можно сделать вывод о
том, что высоты соответствующих источников не превышают 20 000 км. Это относится к источникам близ вершины арок, в то время как более жесткие источники близ оснований не поднимаются
выше 7000 км. Пример такого детального анализа содержится в [2] и относится к заходу источника слабых вспышек 20 мая 2001 г. Для вспышек мощнее М3 можно сделать вывод о том, что корональные источники являются существенно более мягкими. Их потоки излучения, кроме самых
мощных явлений (гамма-вспышек) на 1–1.5 порядка меньше потоков, чем источников в основаниях вспышечных петель. Эта оценка относится к диапазону энергий 30–50 кэВ. Эти результаты согласуются с недавно опубликованным анализом лимбовых вспышек на RHESSI, рентгеновское
излучение которых частично экранировалось лимбом Солнца [4].
С аппарата «Mars Odyssey» наблюдались несколько самых мощных вспышек. В частности,
вспышка балла X5.3 25 августа 2001 года наблюдалась одновременно на пути КА к Марсу и с околоземной орбиты. Скорость счета во внешнем сцинтилляторе прибора HAND превысила
6000 отсч./с. Это событие подробно изучалась также по материалам со спутника Yohkoh. Ее можно рассматривать как источник типичной гамма-вспышки. Излучение в диапазоне свыше 330 кэВ
регистрировалось в течение порядка 100 секунд как на спутнике «Mars Odyssey» [2], так и на
Yohkoh. Эта вспышка произошла в области, располагающейся между двумя большими пятнами, и
принадлежала к классу так называемых сигмоидных вспышек. Сразу после высокоэнергичного
события возник корональный выброс массы, который привел к развитию постэруптивной фазы
вспышки. После мощного всплеска система петель распространяется в обе стороны вдоль
нейтральной линии продольного магнитного поля. Особенностью события было то, что корональный выброс был асимметричным.
Наблюдения на космических аппаратах, располагающихся в различных точках гелиосферы,
открывают новые возможности для изучения явлений на Солнце. По материалам «Mars Odyssey»
была изучена вспышечная активность нескольких групп пятен. Известно, что в конце октября 2003
года на Солнце наблюдалась группа 10486, имевшая очень высокую вспышечную активность. С
околомарсианской орбиты восход этой группы наблюдался на двое суток раньше, чем с околоземной. Это обстоятельство помогло в предсказании того, как будет развиваться эта группа. Уже 21
октября около 18:45 всемирного времени (UT) в диапазоне около 80 кэВ наблюдалась рентгеновская вспышка, состоявшая из двух импульсных возрастаний, разнесенных примерно на 5 мин. По
измеряемому жесткому излучению и сравнению жесткого и мягкого рентгеновского излучения
для других явлений, наблюдаемых на диске, можно придти к заключению, что это событие было
близко к вспышке балла М5. Это событие не наблюдалось с околоземных спутников. Через несколько часов на восточном лимбе начали наблюдаться системы арок и выбросы вещества. Активность на лимбе начала наблюдаться и с околоземных спутников, но была довольно слабой. Только
22 октября около 20 UT произошла первая большая вспышка балла M9.9, которая уже была доступна для наблюдений с земного направления.
Итак, можно предположить, что в эти дни развивалась крупная активная область, в которой
происходил рост площади пятен, и возникало множество эрупций. Можно предполагать, что первая импульсная вспышка была существенна для развития вспышечной активности группы. Анализируя события 21–22 октября можно было ожидать, что вспышечная активность группы усилится
и не пойдет на спад. Это предположение оправдалось, и уже 23 октября в 8.30 UT произошла первая мощная вспышка балла X5.7. Скорость счета в рентгеновском канале достигла 1500 отсч./с,
что в несколько раз меньше, чем в максимуме наиболее мощных явлений. На рис. 1 видно, что эта
вспышка характеризуется первыми двумя основными эпизодами, разнесенными примерно на 15
минут. Наблюдения жесткого рентгена на RHESSI начались только в самом конце события, когда
на «Mars Odyssey» регистрировались очень слабые всплески.
Вспышка 23 октября 2003 г. демонстрирует обычные особенности мощных событий. Первичное энерговыделение, возникшее около 8:25 UT, проявилось затем, вероятно, и в другом конце
корональной петли около 8:27 UT. Эта импульсная стадия была достаточно мощной и наблюдалась вплоть до энергий фотонов, превосходящих 300 кэВ. Достаточно жесткое рентгеновское излучение 50–100 кэВ наблюдалось в основаниях вспышечных петель в течение всей импульсной
стадии (см. рис. 1). Микроволновой всплеск был достаточно мощным и на частоте 1.54 ГГц достиг
10 000 с.е.п.
Второй максимум рентгеновского излучения около 8:40 UT привел к последующему развитию постэруптивных арочных систем. Это можно видеть по изображению, построенному в [3] по
Наблюдения рентгеновских вспышек на Солнце...
данным RHESSI для момента 8:45 UT в областях 12 – 25 кэВ и 50 – 100 кэВ. Эти арки поднялись
до значительных высот, причем можно было выделить три арочные системы, оси которых были
направлены под значительными углами одна от другой. В дальнейшем арочная система протянулась на большое расстояние вдоль восточного лимба и затем повернула в направлении группы
10484.
Рис. 1. Регистрация вспышки 23 октября 2003 г. по данным КА «Mars Odyssey».
Временное разрешение 0,25 с
Еще одна вспышка наблюдалась 24 октября (после 2:27 UT) балла М7.6 одновременно на КА
«Mars Odyssey», RHESSI и КОРОНАС-Ф. Временные профили были очень похожи на всех трех
аппаратах. Они приведены на рис. 2 по данным «Mars Odyssey» и RHESSI. Показатель дифференциального спектра близ максимума этой вспышки в области 20–200 кэВ равен 3,86. Анализируя
данные по событиям 21–24 октября, можно сделать вывод, что в излучении вспышек велика доля
нетеплового излучения в диапазоне выше 20 кэВ. Это типично для больших активных областей с
δ-конфигурацией магнитного поля.
Интересно отметить связь между событиями в группах 484 и 486. Эрупции в группе 484
инициировали нестационарные процессы в группе 486, а вспышки в группе 486, в свою очередь,
влияли на явления в группе 484. Также особенностью событий, описанных выше, являлось распространение возмущения вдоль нейтральной линии крупномасштабного магнитного поля. Анализ своеобразного первого периода развития группы 486 показал, что в дальнейшем можно ожидать усиления активности не только вследствие всплытия новых магнитных потоков (и группсателлитов), но и взаимодействия и синхронизации двух, а затем и трех больших групп конца октября 2003 г.
Кульминация вспышечной активности группы пятен небольшой площади была изучена в
работе [5], где проведено детальное изучение двух мощных солнечных вспышек, произошедших
14 июля 2005 в группе 10786 в момент ее захода. Эти вспышки были мало изучены ранее вследствие того, что наблюдения максимумов двух самых мощных из них в жестком рентгеновском
диапазоне на КА RHESSI отсутствовали. Использование в нашем исследовании наблюдений, полученных аппаратурой ИКИ РАН HEND (КА Mars Odyssey) позволило восполнить этот пробел.
В первой вспышке мощный импульсный всплеск произошел в 7:23 UT, примерно через 1.5 часа
после начала слабого длительного события. Перед второй вспышкой балла Х в 10:20 UT был зарегистрирован короткий всплеск, при котором произошло первое ускорение частиц в данном событии, а основной импульс произошел на 15 минут позже. Если во вспышках с 5 по 9 июля 2005 г.
доминировали процессы около северного пятна, то 14 июля 2005 г. мощное импульсное энерговыделение возникает тогда, когда начавшийся на севере вспышечный процесс достигает южного
пятна. Мощные вспышечные импульсы 14 июля могут быть связаны с начавшимся распадом южного пятна группы. Анализ вспышечной активности данной группы среднего размера выявил постепенное нарастание вспышечной активности и тесное взаимодействие процессов ускорения над
нейтральной линией магнитного поля и в непосредственной близости от пятен.
Наблюдения рентгеновских вспышек на Солнце...
Рис. 2. Профили рентгеновской вспышки 24 октября 2003 г. по данным «Mars Odyssey» и RHESSI при временном разрешении 0.25 с (а) и спектр вспышки 24 октября 2003 г. по данным RHESSI (б)
Основная часть описанной выше работы по изучению солнечных вспышек по данным аппаратуры HEND проведена в режиме двух фотометров. В настоящее время представляет интерес
перейти к анализу спектральных данных. Аппаратура работает на орбите уже около 10 лет. Чтобы
каким-то образом проконтролировать эту работу, мы решили сравнить результаты, получаемые по
«Mars Odyssey», с данными с других космических аппаратов, прежде всего RHESSI, для одних и
тех же событий. Относительная калибровка была проведена для всплеска 24 октября 2003 года
(рис. 2) и в настоящее время проводится для нескольких гамма-вспышек, таких, как 25 августа
2001 года, 14 июля 2005 года (07:23 UT). Мы надеемся получить определенную информацию о
спектрах всплесков в широком энергетическом диапазоне. Работа поддержана грантом РФФИ 0802-00872.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Boynton W. V., Feldman W. C., Mitrofanov I. G. et al. // Space Sci. Rev. 2004. V. 110. P. 37.
2. Лившиц М. А., Чернетский В. А., Митрофанов И. Г. и др. // Астрон. журн. 2005. Т. 82. С. 1025.
3. Кашапова Л.К., Лившиц М.А. // Астрон. журн. 2008. Т. 85. С. 1129.
4. Krucker S., Lin R. P. // Astrophys. J. 2008. V. 673. P. 1181.
5. Чернетский В.А., Лившиц М.А., Кашапова Л.К. и др. // Труды Всероссийской ежегодной конференции по физике Солнца «Год астрономии: солнечная и солнечно-земная физика». 5–11 июля 2009 г., ГАО
РАН, Пулково. СПб., 2009. С. 451.