Пульсации и плазменный механизм суб-терагерцового излучения солнечных вспышек А.В.Степанов (ГАО РАН) В.В.Зайцев (ИПФ РАН) П.В.Ватагин (ГАО РАН) ИКИ РАН. - презентация

1 Пульсации и плазменный механизм суб-терагерцового излучения солнечных вспышек А.В.Степанов (ГАО РАН) В.В.Зайцев (ИПФ РАН) П.В.Ватагин (ГАО РАН) ИКИ РАН 6 февраля 2012 г.

2 Вызов в физике Солнца: наблюдения интенсивного, > 10 4 sfu, излучения солнечных вспышек на частотах 212 и 405 ГГц и его пульсаций (Кауфман и др. 2004, 2009). Пульсации в глубиной модуляции 5-8% и с периодами с.

3 Две «ветви» с F = kR, c k( 405 ГГц ) 4k ( 212 ГГц ) объясняются связью между потоком излучения и яркостной температурой: 2003 Nov Dec Nov. 4

4 Модель пульсаций должна объяснять: Значения периодов, с Уменьшение периода пульсаций с ростом интенсивности излучения Большую добротность пульсаций Q 10 3 Синфазность пульсаций на разных частотах

5 Существующие модели суб-ТГц излучения (i)синхротронное излучение > 10 MeV электронов в сильном ( 1000 Гс) магнитном поле (Kaufmann et al. 2009); (ii) гиросинхротронный механизм, объясняющий W-спектр (Melnikov et al. 2011); (iii) черенковский механизм излучения электронов, ускоренных в хромосфере, V > c /ε(ω) (Fleishman & Kontar 2010); Однако, в (i) неясно происхождение "хромосферных" > 10 MeV электронов, в (ii) нужен протяжённый, 3×10 9 см, источник, а в (iii) требуется более детальный расчёт ε(ω ) и интенсивности излучения. Плазменный механизм радиоизлучения - генерация плазменных волн быстрыми электронами и последующая конверсия плазменных волн в электромагнитные - эффективен в солнечной и звёздных коронах (Железняков 1990; Zaitsev & Stepanov 1983; Stepanov et al 1999). Плазменной частоте электронов на 200 и 400 ГГц соответствует концентрация электронов 5×10 14 и 2×10 15 см -3. На Солнце такая плотность - в частично ионизованной хромосфере, n n 5×10 14 см -3. 10 MeV электронов, в (ii) нужен протяжённый, 3×10 9 см, источник, а в (iii) требуется более детальный расчёт ε(ω ) и интенсивности излучения. Плазменный механизм радиоизлучения - генерация плазменных волн быстрыми электронами и последующая конверсия плазменных волн в электромагнитные - эффективен в солнечной и звёздных коронах (Железняков 1990; Zaitsev & Stepanov 1983; Stepanov et al 1999). Плазменной частоте электронов на 200 и 400 ГГц соответствует концентрация электронов 5×10 14 и 2×10 15 см -3. На Солнце такая плотность - в частично ионизованной хромосфере, n n 5×10 14 см -3.">

6 Излучение на удвоенной плазменной частоте 2 ω = 2ω p = (4 π )×200 ГГц Zaitsev, Stepanov (1983): T b2 ~ (nT)w 2 T b1 ~ (mV s 2 )w w = W pl /nT «Просветление» при w 10 -4

7 Плазменный механизм суб-ТГц излучения вспышек Условия «просветление» хромосферы для плазменного механизма радиоизлучения: - большие токи во вспышечных петлях ~10 11 A ; -желобковая неустойчивость, приводящая к индукционному ускорению электронов в хромосфере, нагреву плазмы и возбуждению плазменной турбулентности. Поскольку даже при В = 2000 Гс ω p / ω сe 40 >>1, то справедливо приближение изотропной плазмы Требования к источнику излучения: Источник должен быть компактным, ~ 10 7 см

8 Нагрев плазмы в источнике ускоренными частицами Ускорение в индукционном Е-поле. Время внедрения «языка» t V

9 Длина свободного пробега ускоренных частиц Ускоренные частицы не выходят за пределы источника Скорость нагрева быстрыми частицами Плотность ускоренных частиц (n s /n > n s cr /n)

10 Обзор механизмов пульсаций Лотка-Вольтерра (Zaitsev 1971) - не подходит, т.к. периоды P ( γν) -0.5 ~ мкс и с ростом w период увеличивается БМЗ-колебания (Qin et al 1996) не дают зависимость периода от интенсивности и не обеспечивают добротность Q >10 3 из-за потерь на излучение вследствие большой плотности плазмы, n ~10 15 cm -3 ММЗ-мода даёт период, увеличивающий со временем из-за расширения области нагрева вдоль магнитного поля Кинк-мода не может модулировать малый объём в основаниях арки, а период осцилляций P = l/V A 10 s.

11 Coronal loop as an equivalent RLC-circuit For small current deviation the equation of a linear oscillator (Khodachenko et al. 2009): Excitation: Oscillation period for I >> crB z (0)/2 Quality

12 Предлагаемый механизм пульсаций: колебания эквивалентного RLC-контура Модифицированные Альфвеновские осцилляции ν RLC = V Aφ /r – это RLC-колебания с к почти поперёк В (cosθ = Bφ/Bz > 1

13 Условие «сосредоточенного» RLC-контура (синфазность пульсаций) «Альфвеновское» время должно быть меньше периода осцилляций : B φ /B z < 2ζ(r/l) 7r/l, Что справедливо для «коротких» арок, r/l 10 и B φ /B z < 1. Модуляция плазменного излучения (5-8%)- вследствие модуляции тока – модуляция ускорителя частиц (индукционное Е z -поле) – модуляция плотности энергии плазменных волн. Источник излучения должен быть компактный, но колеблется весь контур. На 44 ГГц, в нижней короне тоже есть пульсации.

14 Заключение RLC- модель объясняет периоды и высокую добротность пульсаций суб-ТГц излучения Источник излучения должен быть компактным, 3×10 7 см поскольку на этом масштабе в токонесущей арке происходит эффективный нагрев плазмы и ускорение электронов в хромосфере из-за развития желобковой неустойчивости Хромосфера «просветляется» для плазменного механизма суб-ТГц излучения при относительной плотности энергии плазменных волн w = W/nT