Природа суб-секундных высокодобротных пульсаций солнечных вспышек в ТГц диапазоне В.В.Зайцев, ИПФ РАН А.В.Степанов, ГАО РАН P.Kaufmann, Universidade Estadual. - презентация

1 Природа суб-секундных высокодобротных пульсаций солнечных вспышек в ТГц диапазоне В.В.Зайцев, ИПФ РАН А.В.Степанов, ГАО РАН P.Kaufmann, Universidade Estadual de Campinas/ CCS, Campinas, SP, Brazil IX конференция «Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ РАН,

2 Вызов для астрофизиков: излучение с потоками > 10 4 sfu на 212 and 405 ГГц с развитой пульсирующей структурой. Период пульсаций меняется от 0.2 до 4 с. Амплитуда пульсаций: 5-8% от основного всплеска. Высокая добротность, Q Kaufmann et al. (ApJ 2004, 2009) Загадочная пропорциональность между потоком суб-мм излучения F и частотой пульсаций (repetition rate R ~ F).

3 Две «ветви» с F = kR, c k(405 ГГц) 4k (212 ГГц) объясняются связью между потоком излучения и яркостной температурой: Однако в событии 6 Dec зависимость скорее квадратичная, F ~ R Nov Dec Nov. 4

4 Модель пульсаций должна объяснить: Период P = с Уменьшение P с ростом F Высокую добротность Q 10 3 Малую амплитуду пульсаций Синхронность пульсаций на разных частотах

5 Модели суб-ТГц излучения (i)Синхротронное излучение > 10 МэВ электронов с B 1000 Гс (Kaufmann et al. 2009); (ii)Гиросинхротронное излучение, объясеяющее W-спектр (Melnikov et al. 2011); (iii) Черенковское излучение в хромосфере V > c/ε(ω) (Fleishman & Kontar 2010). Диэлектрическая проницаемость в хромосфере ε(ω) >1. (iv) Плазменный механизм (Sakai et al 2006; Zaitsev et al 2013): Плазменная частота электронов 200, 400 ГГц требует n = 5×10 14 и 2×10 15 см -3 Для полной ионизации (из Саха): температура хромосферы T 10 5 K. Источник нагрева – ускоренные электроны. При n ~10 15 см -3, B ~ 3 кГ ω р / ω B ~ 40 >> 1, т.е. приближение изотропной плазмы применимо.

6 Плазменный механизм суб-ТГц излучения хромосферы Зайцев, Степанов, Мельников (ПАЖ 39, 726, 2013) Генерация суб-ТГц излучения солнечных вспышек возникает в хромосферных основаниях вспышечных петель во время их сильного прогрева. Прогрев сопровождается высокой степенью ионизации нижней хромосферы, требующейся для ленгмюровских частот суб-ТГц диапазона, n см -3. Ключевая роль в суб-ТГц излучении хромосферы принадлежит неустойчивости Рэлея-Тейлора, которая приводит к проникновению внешней плазмы внутрь петли. Для этого необходим «предпрогрев» до 3×10 4 К при диссипации электрического тока (Каулинг!). Магнитное поле петли деформируется, что вызывает генерацию индукционного электрического поля, ускоряющего электроны. Ускоренные электроны дополнительно нагревают хромосферу in situ и возбуждают плазменные волны, рэлеевское и комбинационное рассеяние которых приводит к излучению на суб-мм. Ji et al (ApJL, 2012) T chr 10 6 K

7 Существующие механизмы пульсаций Уравнение Ло́тки Вольте́рры (Zaitsev 1971) – не подходит: P ( γν) -1/2 ~ мс БМЗ-колебания (Qin et al 1996) не объясняют R(F), кроме того Q 1. Медленная МЗ-мода: период растёт со временем. Изгибная мода: P = l /c A 10 с.

8 Flare loop as an equivalent electric circuit Severny (1965): vertical currents I ~ A near sunspot Alfven & Carlquist (1967): electric circuit analog of a flare Stenflo (1969), Spicer (1977), Ionson (1982), Zaitsev & Stepanov (1992), Melrose (1995), Wheatland & Melrose (1995), Zaitsev et al (2000) Alfven & Carlquist (SP 1967)

9 Вспышечная арка как RLC -контур Для малых возмущений тока уравнение осциллятора (Khodachenko et al. 2009): Возбуждение при Частота осцилляций ν r = ω o /2π определяется I 0 и параметрами корональной части арки При ν r = 8 s -1 в максимуме вспышки до ν r = 0.2 s -1 в фазе затухания ток уменьшается от I 0 = 2×10 12 A до I 0 = 4×10 10 A.

10 RLC-модель пульсаций в суб-ТГц диапазоне Модифицированные А-колебания: ν RLC = V Aφ /r – это RLC-колебания с k почти перпендикулярном магнитному полю В (cosθ = Bφ/Bz > 1

11 Плазменный механизм излучения на суб-ТГц объясняет зависимости F(R)

12 Условие синхронизма пульсаций Альфвеновское время должно быть меньше периода осцилляций (lamped circuit), т.е. B φ /B z < 2ζ(r/l) 10 r/l, Это выполняется для вспышечных арок с l/r ~ 10 и B φ /B z < 1. Модуляция суб-ТГц излучения обязана модуляции эл. тока модуляция ускоренных частиц модуляция уровня плазменной турбулентности. Хромосферный источник излучения компактный, но осцилляции тока - во всей корональной арке.

13 Амплитуда пульсаций: Решение нелинейного уравнения для возмущений электрического тока (метод Ван дер Поля) Малый параметр: Решение для амплитуды осцилляций: Установившееся значение:

14 Пропорциональность между потоком излучения и частотой пульсаций можно объяснить откликом на дискретное ускорение электронов в источнике – хромосфере Солнца. Малые вариации электрического тока вызывают вариации B φ, которые, в свою очередь, приводят к появлению электрического поля вдоль оси вспышечной петли. Это электрическое поле является причиной дополнительного ускорения электронов и инжекции таких электронов в область излучения. В результате появляются сравнительно небольшие (5-10%) дополнительные импульсы излучения. С ростом электрического тока растет поток излучения на суб-ТГц и одновременно частота пульсаций. Сложный спектр пульсаций связан с «мгногопетлевой» структурой вспышки.

15 Выводы LRC-модель пульсаций, связывающая модуляцию суб-ТГц излучения с собственными колебаниями электрического контура – вспышечной арки, объясняет следующие особенности пульсаций: (i)Частоту пульсаций (repetition rate) R = s -1, (ii)Высокую добротность пульсаций, Q >10 3, (iii)Малую амплитуду пульсаций, 5-10%, (iv)Синхронность пульсаций на разных частотах, (v)Зависимости F ~ R и F ~ R 2, которые свидетельствует в пользу плазменного механизма излучения. Для понимания физики энерговыделения в хромосфере («хромосферных» вспышек) необходимы многоволновые наблюдения. Важная роль принадлежит исследованию терагерцового излучения (Солнечная часть проекта ALMA).