Рентгеновская изображающая спектроскопия солнечной короны в проекте коронас: создание аппаратуры и астрофизические результаты

• SPIE International Symposium, SPIE's 39th Annual Meeting, 17-28 июля, 1994, Сан-Диего, США
• 2nd Swedish-Russian seminar ‘High-resolution VUV Spectroscopy of Complex Atoms’, 1997, 1-4 октября, Лунд, Швеция
• ISCS Symposium “Solar Variability: From Core To Outer Frontiers”, Прага, 9-14 сентября 2002
• ISCS Symposium “Solar Variability as an input to the Earth’s Environment”, Tatranska Lomnica, Slovakia, 23-28 June 2003.
• 34th COSPAR Scientific Assembly - The Second World Space Congress, 10-19 октября 2002, Хьюстон, США
• Конференция «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности». Н.Новгород, 2-7 июня 2003
• Всероссийская конференция, посвященная 90-летию со дня рождения  чл.-корр. АН СССР В.Е.Степанова. Иркутск, ИСЗФ СО РАН, 24-30 августа 2003 г.

• Конференция памяти академика Андрея Борисовича Северного «Солнце и космическая погода», 9-14 июня 2003 года, п. Научный, Украина
• Совещания «Рентгеновская оптика», позднее - симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника-2006», Нижний Новгород, в 1997, 1998, 2000, 2002–2010 гг.
• Научная сессия МИФИ-2004, 19-23 января 2004 года, Москва
• Всероссийская астрономическая конференция ВАК-2004, 3-10 июня 2004, Москва
• IAU Symposium 223, 14-19 июня 2004 года, Санкт-Петербург
• IAU Symposium 226, 13-17 сентября 2004 года, Пекин, Китай
• Международный симпозиум SEE, 12-14 июля 2004 г., Москва
• 35th COSPAR Scientific Assembly, Paris, France, 19-25 июля 2004 года
• 42 сессия комитета по мирному использованию космического пространства при ООН, 21 февраля – 4 марта 2005 года, Вена, Австрия
• SPM-11 conference “The Dynamic Sun: Challenges for Theory and Observations”, 11 - 16 Сентября 2005, Левин, Бельгия
• XXIII Съезд по спектроскопии, 17-21 октября 2005 г., Звенигород, Московская обл
• Всероссийская конференция "Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности", 10-15 октября 2005, г. Троицк
• Solar Extreme Events: Fundamental Science and Applied Aspects(SEE-2005)International Symposium 26-30 Сентября 2005, Нор-Амберд, Армения
• IAU Symposium 233, 31марта-4 апреля 2006 года, Каир, Египет
• SOLAR ORBITER WORKSHOP II, 16-20 октября 2006, Афины, Греция
• "Солнце: активное и переменное", 2-8 сентября 2007 г, п.Научный, Украина
• Конференции «Физика плазмы в солнечной системе», ИКИ РАН, Москва (2007, 2008, 2009, 2010)
• SOHO 20 - Transient Events on the Sun and in the Heliosphere 27-31 августа, 2007, Гент, Бельгия
• Рабочее совещание «Рентгеновская оптика – 2008», Черноголовка, 6-9 октября 2008 г
• "100 лет Тунгусскому феномену: прошлое, настоящее, будущее" 26-28 июня 2008 г.   Москва,
• Heliophysics, Eclipses & Space Missions Workshop,4-6 Августа, 2008, Горно-Алтайск.
• 37th COSPAR Scientific Assembly 2008, Монреаль, Канада
• The second CORONAS-PHOTON and SPHINX workshop, 9-12 декабря 2008, Вроцлав, Польша
• 3rd Solar Orbiter Workshop, : 25 - 29 Мая 2009, Сорренто, Италия
• Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра – 2009, 21 - 24 декабря 2009 г., Москва
• 38th COSPAR Scientific Assembly, 18-25 Июля 2010, Бремен, Германия

Публикации.

По теме диссертации в реферируемых журналах опубликовано (в 1992–2010гг.) 56 работ. Перечень работ приведен в авторском списке в хронологическом порядке в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, авторского списка из 56 наименований, списка литературы из 197 наименований и 3 приложений, содержит 220 страниц машинописного текста, 92 рисунка, 17 таблиц.

Содержание работы

Во Введении сформулированы задачи исследований, представлен исторический обзор поставленных ранее экспериментов и их результатов, кратко изложено содержание работы.

В первой главе обоснованы методы исследования структур и процессов в солнечной короне в МР и ВУФ диапазонах. Выбор участков спектра в МР и ВУФ диапазонах, 1-9 и 100-600 , для проведения исследований корональной плазмы был определен исходя из физической задачи эксперимента с одной стороны, и практической возможности реализации методов с другой. Внутри этих диапазонов предпочтительны наблюдения в резонансных линиях высокозарядных ионов наиболее обильных на Солнце элементов: He, Fe, Si, Mg и др. Электронные температуры максимумов светимости этих линий, лежащие в диапазоне от 0.05 до 20МК, позволяют исследовать плазменные структуры, соответствующие практически всем образованиям в короне на высотах, начиная от переходного слоя и выше.

Оптимальными для решения задач по наблюдению активных процессов и определения состояния плазмы во внутренней (от фотосферы до 4 солнечных радиусов) короне Солнца являются специальные инструменты ВУФ диапазона: телескопы-коронографы и спектрогелиометры.

Во второй главе рассмотрены основные проблемы, связанные с проведением космического эксперимента по регистрации излучения Солнца в МР и ВУФ диапазонах и обоснованы характеристики аппаратуры для регистрации активных процессов в короне и прогноза космической погоды. В разработанной аппаратуре использованы различные оптические схемы: изображающий спектрометр (спектрогелиометр) МР диапазона на основе брэгговского сферического кристаллического зеркала, спектрогелиометр ВУФ диапазона с объективной дифракционной решеткой скользящего падения, телескопы Гершеля.

Разработанный спектрогелиометр МР диапазона позволяет регистрировать монохроматическое излучение резонансной линии иона MgXII 8.42 с высоким пространственным разрешением ~2 в поле зрения примерно 1.3°1.3°. Спектральное разрешение инструмента (~1.810-3 /яч), достаточно для разрешения дублета линии.

ВУФ спектрогелиометры, регистрирующие изображения Солнца в диапазонах 176206 и 279335 имеют спектральное разрешение 0.024 /яч и 0.043 /яч, соответственно, что позволяет регистрировать полное изображение Солнца в спектральных линиях, отстоящих приблизительно на 0.5 .

Телескоп-коронограф ВУФ диапазона (на полосы вблизи 175 и 304 ) представляет собой эффективный инструмент для регистрации структур и процессов во внутренней короне на расстояниях до 4 радиусов над лимбом Солнца с временным разрешением 30-300 секунд в зависимости от их яркости. Этот прибор имеет высокое пространственное разрешение – несколько секунд угловой дуги.

Все перечисленные выше инструменты оснащены оригинальными двухкоординатными детекторами на основе ПЗС-матриц для регистрации изображений в рабочем участке МР или ВУФ диапазона спектра. Разработанные детекторы имеют высокую радиационную стойкость и обеспечивают оптимальное, с точки зрения решаемых задач, сочетание эффективности регистрации, временного и пространственного разрешения.

Учитывая широкий круг наблюдательных задач и большие информационные потоки в экспериментах, реализующих метод изображающей спектроскопии Солнца, для управления комплексом аппаратуры был разработан ряд аппаратно-программных комплексов управления, представляющих мощные бортовые компьютеры. С их помощью осуществлялось управление приборами, как по командам с Земли, так и автономно по находящимся в памяти программам, обрабатывалась, сжималась и подготавливалась для передачи на Землю полученная в экспериментах информация.

В третьей главе даны описания методик изготовления и калибровки спектральных и телескопических инструментов МР и ВУФ диапазонов. В ходе разработки МР спектрогелиометра созданы уникальные оптические элементы – брэгговские фокусирующие зеркала. Эти зеркала представляют собой сферически изогнутый кристалл кварца с прецизионной взаимной ориентацией кристаллической и оптической поверхности – лучше 1. Проведены испытания зеркал в видимом и рабочем диапазонах спектра, которые показали их высокие изображающие свойства.

Для ВУФ спектрогелиометра была проведена работа по оптимизации голограммных решеток с целью повышения эффективности дифракции и снижения уровня рассеянного света в диапазоне 170-300 . Была разработана методика и проведены исследования большого количества образцов (более 100) по определению экспериментальной зависимости эффективности дифракции от глубины штриха для решеток этого типа. Для создания космической аппаратуры были изготовлены дифракционные решетки, имеющие эффективность дифракции около 7% и интегральный уровень рассеянного света менее 1% для длины волны 171.4 при установке под скользящим углом 1.5°.

Была разработана методика и проведены экспериментальные исследования по определению спектральных свойств многослойных рентгеновских зеркал нормального падения - основных оптических элементов спектрогелиометров и телескопов-коронографов ВУФ диапазона, созданных в ИФМ РАН. Для всех зеркал получены спектральные функции коэффициента отражения.

Были разработаны методики и экспериментально определены спектральные функции эффективности регистрации ВУФ спектрогелиометра в рабочих диапазонах, которые впоследствии использовались для первичной обработки получаемых данных. В ходе этих исследований получены спектры высокоионизованного фтора, по которым была определена спектральная шкала прибора.

Были разработаны алгоритмы и создано программное обеспечение для первичной обработки получаемых изображений. Оно включало в себя восстановление потерянных данных, вычитание фона, коррекцию функции белого поля, центрирование и поворот изображений. Программное обеспечение позволило подготовить получаемые данные для их физической интерпретации.

В четвертой главе представлены результаты исследования солнечной активности в МР диапазоне спектра. По данным спектрофотометра SphinX в диапазоне 0.8-10 определены основные интегральные характеристики корональной плазмы в минимуме 24 цикла солнечной активности: средняя температура ~1.8 МК, мера эмиссии ~41053 м-3, плотность плазмы ~108 см-3, тепловая энергия ~21023 Дж. Несмотря на то, что этот минимум солнечной активности был самым глубоким за все периоды фотометрических наблюдений (интегральная интенсивность рентгеновского излучения составила 1.31018 Вт), было зарегистрировано наличие рентгеновской активности, вызванной субмикровспышками в активных областях с потоком (1-5)10-9 Вт/м2, которые приводили к локальному разогреву плазмы до температуры выше 10 МК.

Были исследованы свойства импульсных и долгоживущих горячих рентгеновских источников в короне в период максимума солнечной активности. Обнаружен и исследован новый класс высокотемпературных компактных объектов – «пауков», характеризующийся температурой около 10МК, плотностью ~109 см-3, расположением на высотах до 0.3 солнечных радиуса Солнца над лимбом и большим временем жизни. Для «пауков», вспышек и активных областей определены дифференциальная мера эмиссии, пространственное распре­деление электронной плотности и температуры. Показана существенная роль плаз­мы с температурой 2-10 МК в образовании МР излучения и энергобюджете солнечных вспышек.

Проведено исследование периодических осцилляций рентгеновских источников излучения. В различных типах горячих плазменных источников (активные области, импульсные вспышки, градиентные события) обнаружены колебания, периоды которых лежат в диапазоне 5-160 мин. Показано, что длиннопериодические колебания могут отражать собственные резонансные частоты активной области как связанной системы магнитных петель. Спектры мощности колебаний позволяют четко идентифицировать тип источника, в котором они наблюдаются. Различие в спектрах мощности колебаний градиентных событий и импульсных вспышек указывает на различные механизмы нагрева плазмы во время этих событий.

В наблюдениях горячей плазмы обнаружены квазисинхнронные всплески рентгеновского излучения в отстоящих друг от друга активных областях. Показано, что всплески имеют различную природу: возбуждение от одной области к другой может передаваться по протяженным магнитным петлям, или же они могут инициироваться процессами, происходящими в нижних слоях Солнца.

Анализ динамики высокотемпературных структур показал, что высокотемпературная плазма концентрируется вблизи вершин магнитных петель. Время существования высокотемпературных источников излучения составляет до нескольких дней, что много выше характерных времен охлаждения плазмы излучением и электронной теплопроводностью. Это дает основание предположить, что в солнечной короне происходит энерговыделение (возможно, связанное с магнитным пересоединением), которое подогревает высокотемпературные источники и компенсирует их теплопроводное охлаждение. Измеренная скорость распространения вспышечного возмущения составила 650 км/с. На основании проведенных исследований был сделан вывод об объемном нагреве плазмы во время вспышечных событий за счет образующейся ударной волны.

В главе 5 представлены результаты спектральной диагностики плазмы корональных структур. Исследования проводились на основе нескольких тысяч спектрогелиограмм, зарегистрированных ВУФ спектрогелиометром в диапазонах 176206 и 279335 . Составлен каталог линий этого диапазона, содержащий 165 линий по сравнению с ~140, зарегистрированными ранее. Предложена идентификация 102 линий. Для активных областей были получены экспериментальные отношения интенсивностей линий иона Fe XII, которые широко используются при проведении диагностики плазмы.

Определена электронная плотность плазмы для различных структур на Солнце в диапазоне температур 1-2.5МК. Показано, что она возрастает с ростом активности от примерно 5108 см-3, для областей спокойного Солнца, до 31010см-3 для вспышек Х балла. Дифференциальная мера эмиссии, рассчитанная с применением метода Байеса, показывает сложное температурное распределение для областей повышенного энерговыделения. В полученных распределениях ДМЭ всегда присутствует низкотемпературный (1-1.5МК) максимум, который может быть объяснен обилием холодной плазмы по лучу зрения спектрогелиометра.

В главе 6 представлено исследование температурного распределения плазмы и процессов во внутренней (высота до 5 радиусов над фотосферой) короне Солнца. Получено интегральное пространственное распределение «корональной» (T~1МК) и холодной (T~0.05МК) плазмы, которое имеет существенно разный характер, и предложено объяснение этого явления разными механизмами возбуждения спектральных линий. Высотное и широтное распределение светимости холодной плазмы имеет более высокую степень корреляции с лимбовой яркостью по сравнению с наблюдаемой в «корональной» плазме, что объясняется более высокой локализацией горячей плазмы внутри силовых трубок линий магнитного поля. Радиальное распределение яркости короны в «корональных» и холодных линиях имеет разную степень корреляции с высотой в максимуме и минимуме цикла солнечной активности, что объясняется изменением структуры магнитного поля.

Внутренняя корона имеет большую степень структуризации в «корональной» плазме, чем в холодной. Структуры, наблюдаемые в «корональных» линиях, имеют хорошую корреляцию со структурами, наблюдаемыми оптическими коронографами на существенно больших расстояниях над лимбом и, по всей видимости, являются основаниями крупномасштабных петель магнитного поля.

Исследование динамики процессов во внутренней короне показало, что образование корональных выбросов масс (КВМ) связано с различными первичными процессами во внутренней короне. При этом на разных стадиях солнечной активности превалируют различные первичные процессы: в минимуме – взрывы протуберанцев, в максимуме – процессы магнитного пересоединения.

Для определения вероятности возникновения КВМ для прогноза космической погоды необходимо использовать различные типы инструментов: оптимальным представляется сочетание спектрогелиометра MgXII и телескопов-коронографов, регистрирующих корону в возможно более монохроматичных линиях HeII и FeIX.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации:

- Обоснован выбор спектральных диапазонов и характеристик аппаратуры, наиболее эффективные для реализации метода изображающей спектроскопии.

- Разработаны оптические схемы МР и ВУФ спектрогелиографов и методики контроля элементов рентгеновской оптики МР и ВУФ спектрогелиографов, а также самих инструментов в видимом и рентгеновском диапазонах спектра.

- Разработаны методы регистрации коротковолнового излучения, связанного с различными процессами накопления, трансформации и выделения энергии во внутренней солнечной короне.

- Успешно проведены эксперименты по изображающей спектроскопии Солнца на орбитальных станциях КОРОНАС-И в 1994 г., КОРОНАС-Ф с 2001 по 2005 г. и КОРОНАС-ФОТОН в 2009 г.: получено более 600000 рентгеновских изображений и спектров Солнца, соответствующих различным фазам в течение 23-24 циклов солнечной активности.

С помощью разработанной автором многоканального спектрогелиометра РЕС открыт целый ряд новых явлений, связанных с высокотемпературными плазменными образованиями в нижней короне Солнца. На основе монохроматических изображений в линии иона Mg XII:

- Впервые обнаружен и исследован класс высокотемпературных плазменных образований, характеризуемых плавной динамикой и различными пространственно-временными масштабами от корональных ярких точек до глобальных структур с временами жизни соответственно от десятков минут до многих часов.

- Впервые получены пространственно-временные распределения электронной температуры и плотности корональных структур с температурой боле 4 МК и установлена существенная роль горячей плазмы с температурой 4 – 10 МК в энергобюджете вспышечных процессов.

- Впервые обнаружена горячая плазма с температурой около 10 МК в «безвспышечных» (по классификации монитора GOES) активных областях, рентгеновское излучение которых состоит из «элементарных всплесков» длительностью 10-20 минут.

С помощью комплекса прибора ТЕСИС на основе монохроматических изображений линии иона Fe IX впервые в ВУФ диапазоне с высоким пространственным (до 2 секунд дуги) и временным (до 10 мин) разрешением исследована тонкая структура и динамика КВМ до высот порядка 4 солнечных радиусов и обнаружена их связь с взрывными протуберанцами в период аномально низкой активности Солнца.

В работе получены также следующие важные для солнечной астрофизики и спектроскопии результаты:

- В короне обнаружены области со всплесками рентгеновского излучения, имеющих симпатический и квазисинхронный характер. Скорость распространения возбуждения для симпатических всплесков составила 700 км/сек. Показано, что причиной большинства квазисинхронных событий послужило одновременное всплывание новых магнитных потоков в фотосфере.

- Обнаружено три типа спектра мощности осцилляций высокотемпературной плазмы, соответствующих разным типам вспышек.

- Измерен уровень рентгеновской активности Солнца во время аномально глубокого минимума 24 цикла. Средняя интегральная интенсивность рентгеновского излучения Солнца составляет 1.31018 Вт. Оценка средней температуры корональной плазмы в этот период дала значение 1.81±0.05 MK

- Составлен каталог линий диапазонов 176–206 и 279–335 , содержащий 165 линий. Определены электронная плотность плазмы в диапазоне температур 1-2.5МК и температурные профили дифференциальной меры эмиссии для различных структур на Солнце.