Радиоастрономическая диагностика активных процессов на солнце, звездах и планетах

и

Институт солнечно-земной физики

Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

УДК 523.98

Кузнецов Алексей Алексеевич

Радиоастрономическая диагностика активных

процессов на Солнце, звездах и планетах

01.03.03 – Физика Солнца

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Иркутск – 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учрежде нии науки Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Рос сийской академии наук

Официальные оппоненты:

Богод Владимир Михайлович, д. ф.-м. н., Санкт-Петербургский филиал САО РАН, заведующий Злотник Елена Яковлевна, д. ф.-м. н., ИПФ РАН, ведущий научный сотрудник Фомичев Валерий Викторович, д. ф.-м. н., ИЗМИРАН, зам. директора

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория Российской академии наук

Защита диссертации состоится 24 июня 2014 г. в 14:00 на заседании дис сертационного совета Д.003.034.01 при Федеральном государственном бюд жетном учреждении науки Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лер монтова, 126а, а/я 291, ИСЗФ СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государ ственного бюджетного учреждения науки Института солнечно-земной физи ки Сибирского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. ф.-м. н. В.И. Поляков

Общая характеристика работы

Актуальность темы Радиоизлучение является одним из основных источников информации о процессах в солнечной короне, магнитосферах планет и на многих других аст рофизических объектах. Наблюдения в радиодиапазоне потенциально могут быть использованы для диагностики напряженности и структуры магнитно го поля и параметров ускоренных частиц, что очень важно, например, для исследования солнечных вспышек. Во многих случаях излучение в радио и микроволновом диапазонах содержит информацию, которую невозможно (или крайне сложно) получить другими методами.

Вместе с тем, как правило, механизмы генерации радиоизлучения в плаз ме довольно сложны и зависят от многих параметров, что затрудняет интер претацию наблюдений. Кроме наблюдений с высоким временным, спектраль ным и угловым разрешением, диагностика параметров астрофизических объ ектов по радиоизлучению требует использования теоретических моделей, ко торые позволили бы однозначно соотнести наблюдаемые характеристики из лучения с параметрами его источника. Поэтому разработка подобных мо делей и соответствующих им средств численного моделирования является актуальной задачей.

Разработка новых средств анализа и интерпретации наблюдений стано вится особенно важной в связи с планируемым вводом в строй новых инстру ментов. В частности, можно упомянуть строящиеся в настоящее время ин струменты для наблюдений Солнца — Модернизированный Cибирский Сол нечный Радиотелескоп (ССРТ), Китайский Спектральный Радиогелиограф (CSRH) и Усовершенствованный Радиогелиограф Оуэнс Вэлли (EOVSA), ко торые будут производить наблюдения с высоким временным и пространствен ным разрешением одновременно на многих частотах в радиодиапазоне. Дан ные инструменты будут измерять одновременно большое количество пара метров излучения, что, как ожидается, впервые позволит производить точ ную количественную диагностику параметров солнечных активных областей по радионаблюдениям. В свою очередь, это потребует использования как но вых (более точных) теоретических моделей генерации излучения, так и про граммных средств, способных в автоматическом режиме обрабатывать боль шие объемы данных. Аналогичный прогресс ожидается и в наблюдениях ра диоизлучения планет и звезд. Отдельно следует отметить новые приложения радиоастрономических средств диагностики — например, для исследования МГД-волн и колебаний в солнечной короне;

подобные исследования также требуют разработки новых теоретических моделей и программных средств для анализа результатов наблюдений.

Цели работы Целью работы является разработка новых теоретических моделей гене рации радиоизлучения в космической плазме и соответствующих им средств численного моделирования. Основное внимание уделяется радиоизлучению Солнца;

в частности, исследования, представленные в главах 1–2, непосред ственно направлены на разработку средств анализа и интерпретации будущих данных упомянутых выше многоволновых радиогелиографов. Кроме того, рассматриваются радиоизлучение магнитосфер планет и недавно открытое радиоизлучение ультрахолодных карликов. Во всех случаях производится также анализ наблюдений с использованием разработанных теоретических методов и оценка параметров источников радиоизлучения.

Научная новизна • Разработаны новые алгоритмы и компьютерные средства для моделиро вания гиросинхротронного излучения, которые обеспечивают очень высокую скорость вычислений и (впервые) применимы к анизотропным распределе ниям излучающих электронов.

• Проведено наиболее детальное (на данный момент) моделирование гиро синхротронного излучения в солнечных вспышках с использованием реали стичных конфигураций магнитного поля и распределений ускоренных элек тронов;

найдена зависимость наблюдаемых параметров излучения от различ ных параметров источника.

• Показано, что электронные пучки со степенным распределением по энергии и распределением типа конуса потерь по питч-углу способны обеспе чить формирование зебра-структуры в спектрах солнечного радиоизлучения за счет эффекта двойного плазменного резонанса.

• Впервые была зарегистрирована зебра-структура на частотах более ГГц;

проанализированы возможные механизмы ее формирования и получены оценки параметров источника излучения.

• Показано, что «сверхтонкая временная структура» радиовсплесков с зебра-структурой может возникать в результате модуляции плазменного ме ханизма излучения МГД-колебаниями.

• Впервые исследована зебра-структура в километровом радиоизлучении Юпитера;

показано, что возникновение таких спектральных структур может быть обусловлено эффектом двойного плазменного резонанса.

• Разработана новая модель формирования всплесков с промежуточной скоростью частотного дрейфа в солнечном радиоизлучении, основанная на модуляции плазменного механизма излучения МГД-колебаниями.

• Впервые проведено моделирование периодических радиовсплесков от ультрахолодных карликов с использованием различных моделей источника;

на основе анализа наблюдений получены оценки параметров источников из лучения.

• Впервые проведено кинетическое моделирование электронно-циклотрон ной мазерной неустойчивости распределения ускоренных электронов типа «подковы» (horseshoe);

найдены основные характеристики генерируемого из лучения и их зависимость от параметров источника.

Научная и практическая значимость Разработанные алгоритмы и компьютерные программы для моделирова ния гиросинхротронного излучения солнечных вспышек в настоящее время широко используются многими исследователями для анализа и интерпрета ции наблюдений. Эти алгоритмы и программы являются ключевым шагом на пути к разработке средств для анализа наблюдений будущих многоволно вых радиогелиографов и диагностики параметров вспышечных областей по радионаблюдениям.

Проведенное исследование подтвердило, что эффект двойного плазменно го резонанса является основным механизмом формирования зебра-структур в солнечном радиоизлучении;

это позволяет использовать всплески с зебра структурой для диагностики параметров плазмы и магнитного поля в сол нечной короне. Результаты исследования всплесков с тонкой спектральной и временной структурой открывают возможность диагностики мелкомасштаб ных МГД-волн и колебаний в солнечной короне по радионаблюдениям.

Результаты исследования радиоизлучения ультрахолодных карликов важ ны для дальнейшего развития теории звездного динамо и теории процессов в быстро вращающихся магнитосферах. Результаты моделирования электрон но-циклотронной мазерной неустойчивости и разработанные при этом подхо ды могут быть использованы для дальнейшего развития теории когерентных механизмов излучения (как мазерного, так и плазменного).

Положения, выносимые на защиту 1. Разработаны новые алгоритмы и компьютерные программы для рас чета параметров гиросинхротронного излучения, что значительно повышает эффективность диагностики вспышечных областей на Солнце — в том числе, с использованием данных наблюдений на будущих многоволновых радиоге лиографах.

2. Показано, что даже умеренная анизотропия ускоренных электронов в солнечных вспышках существенно влияет на гиросинхротронное микровол новое излучение. Найдена зависимость наблюдаемых параметров излучения от особенностей распределения электронов и ориентации вспышечной петли.

Получены оценки параметров ускоренных электронов в некоторых событиях.

3. Найдены условия формирования радиовсплесков с зебра-структурой электронным пучком с распределением типа конуса потерь на двойном плаз менном резонансе. Показано, что данная модель формирования зебра-струк туры хорошо согласуется с наблюдениями радиоизлучения Солнца и Юпи тера;

получены оценки параметров источников излучения в некоторых собы тиях.

4. Разработана новая модель формирования всплесков с промежуточной скоростью частотного дрейфа в солнечном радиоизлучении, основанная на модуляции плазменного механизма излучения распространяющимися МГД колебаниями магнитных трубок.

5. На основе анализа наблюдений и численного моделирования установ лены основные характеристики источников периодических микроволновых всплесков от ультрахолодных карликов, а также характеристики магнито сфер подобных объектов в целом.

6. Предложена приближенная схема учета конечных размеров источника излучения при численном моделировании электронно-циклотронной мазер ной неустойчивости. Показано, что данная схема позволяет воспроизвести основные характеристики источников аврорального километрового радиоиз лучения Земли и Сатурна;

сделаны прогнозы для магнитосфер ультрахолод ных карликов.

Личный вклад автора Исследования, представленные в диссертации, выполнены автором как самостоятельно, так и в сотрудничестве с коллегами из ИСЗФ СО РАН, НИ ИрГТУ, Крымской Астрофизической Обсерватории (Украина), Университе та Брэдфорда (Великобритания), Технологического Института Нью-Джерси (США), Университета Глазго (Великобритания), Обсерватории Армы (Ве ликобритания), Университета Софии (Болгария) и других организаций. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежит либо опреде ляющий, либо равный вклад по сравнению с другими соавторами.

Апробация работы Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах ИСЗФ СО РАН, Обсерватории Нобеямы (Япония), Обсерватории Армы (Великобри тания), Университета Глазго (Великобритания) и Технологического Институ та Нью-Джерси (США), а также на различных всероссийских и международ ных научных конференциях, включая 223 IAU Symposium “Multi-Wavelength Investigations of Solar Activity” (Санкт-Петербург, 2004 г.), VII Международ ную Байкальскую молодежную научную школу по фундаментальной физи ке (Иркутск, 2004 г.), Всероссийскую конференцию «Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической ак тивности» (Троицк, 2005 г.), 36th COSPAR Scientic Assembly (Пекин, Китай, 2006 г.), VII Российско-Китайский семинар по космической погоде (Иркутск, 2006 г.), Всероссийскую конференцию «Многоволновые исследования Солнца и современные проблемы солнечной активности» (Нижний Архыз, 2006 г.), CESRA Workshop “Solar Radio Physics and the Flare-CME Relationship” (Яни на, Греция, 2007 г.), 12th European Solar Physics Meeting (Фрейбург, Германия, 2008 г.), Всероссийскую конференцию по физике Солнца «Год астрономии:

Солнечная и солнечно-земная физика — 2009» (Санкт-Петербург, 2009 г.), Royal Astronomical Society National Astronomy Meeting 2010 (Глазго, Велико британия, 2010 г.), CESRA Workshop “Energy Storage and Release Through the Solar Activity Cycle — Models Meet Radio Observations” (Ла Роше в Арден нах, Бельгия, 2010 г.), 274 IAU Symposium “Advances in plasma astrophysics” (Джардини-Наксос, Италия, 2010 г.), 11th RHESSI Workshop (Глазго, Вели кобритания, 2011 г.), EPSC-DPS Joint Meeting 2011 (Нант, Франция, 2011 г.), EGU General Assembly 2012 (Вена, Австрия, 2012 г.), CESRA Workshop “New Eyes Looking at Solar Activity” (Прага, Чехия, 2013 г.), 2nd Asian-Pacic Solar Physics Meeting (Ханчжоу, Китай, 2013 г.) и Workshop & School on RadioSun (Пекин, Китай, 2013 г.).

Публикации По теме диссертации опубликовано 55 работ, включая 1 статью в жур нале, рекомендованном ВАК для публикации результатов докторских дис сертаций, 19 статей в журналах, входящих в базы данных международных систем цитирования, 4 статьи в сборниках трудов научных конференций, статью в журнале «Солнечно-земная физика» (ИСЗФ СО РАН), 1 публика цию в электронной базе данных VizieR и 29 тезисов докладов на научных конференциях. Список публикаций по теме диссертации (не включая тезисы докладов на конференциях) приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка лите ратуры. Диссертация содержит 350 страниц, включая 95 рисунков и 6 таблиц.

Список литературы содержит 368 наименований.

Содержание диссертации Во введении дана общая характеристика работы, сформулированы ак туальность и цели исследования, приведены основные результаты работы.

Кратко описано содержание глав диссертации.

Глава 1 посвящена разработке новых методов моделирования гиросин хротронного излучения (некогерентного излучения умеренно релятивистских электронов в магнитном поле). Гиросинхротронный механизм вносит основ ной вклад в микроволновое излучение солнечных и звездных вспышек;

он иг рает заметную роль и в многих других источниках космического радиоизлу чения. Поэтому при интерпретации наблюдений часто возникает задача вы числения параметров гиросинхротронного излучения для различных условий в его источниках. Общая теория данного механизма излучения достаточно хорошо разработана;

точные формулы для гиросинхротронной излучатель ной способности и соответствующего коэффициента поглощения известны на протяжении нескольких десятилетий. Однако точные формулы достаточно громоздки и вычисления с их помощью требуют много времени, особенно если частота излучения значительно превышает циклотронную частоту.

В связи с важностью гиросинхротронного излучения для солнечной ра диоастрономии, для его вычисления были предложены несколько прибли женных методов. Точность этих приближений, однако, ограничена. Что еще более существенно, они применимы только к определенным (изотропным) распределениям излучающих электронов;

с другой стороны, в настоящее вре мя имеется много доказательств существования анизотропных распределений ускоренных электронов в солнечных вспышках, в том числе в источниках микроволновых всплесков.

Автором (совместно с Г.Д. Флейшманом) были разработаны новый при ближенный метод и соответствующие ему компьютерные программы, полу чившие название «быстрых гиросинхротронных кодов», для моделирования гиросинхротронного излучения. Новизна подхода заключается в использова нии как аналитических, так и численных методов. Разработанные компью терные программы позволяют вычислять параметры гиросинхротронного из лучения как для изотропных, так и для анизотропных распределений элек тронов;

скорость вычислений на несколько порядков выше, чем при исполь зовании точных формул, в то время как относительная погрешность (для типичных параметров) не превышает нескольких процентов. Предусмотре на возможность использования точных гиросинхротронных формул (на низ ких частотах) для повышения точности и воспроизведения гармонической структуры спектров излучения. Разработаны компьютерные программы для вычисления параметров излучения как для однородного источника, так и с автоматическим решением уравнения переноса излучения в неоднородной среде.

Быстрые гиросинхротронные коды были реализованы в виде внешних программных модулей (библиотек) для интерактивной системы программи рования и обработки данных IDL;

они имеют вид динамически загружаемых библиотек (dynamic link libraries, DLL) для операционной системы Windows и общих модулей (shared objects, SO) для Linux. Исполняемые файлы биб лиотек вместе с подробным описанием и примерами использования свободно доступны (http://sites.google.com/site/fgscodes).

В главе 2 с помощью численного моделирования (с использованием про граммных средств, разработанных в главе 1) исследуется гиросинхротронное излучение ускоренных электронов в солнечных вспышках. В частности, в разделе 2.1 проводится трехмерное моделирование излучения симметричных магнитных петель с аналитически заданным (дипольным) магнитным по лем;

для моделирования используется недавно созданная интерактивная ком пьютерная программа GS Simulator на основе IDL. Рассматривается питч угловое распределение ускоренных электронов с конусом потерь, граница ко торого определяется условием постоянства поперечного адиабатического ин варианта;

в результате распределение является существенно анизотропным только вблизи оснований петли. Тем не менее, как оказалось, даже такая «умеренная» анизотропия оказывает существенное влияние как на двумер ные изображения, так и на спектральные характеристики гиросинхротрон ного излучения. В частности, наличие анизотропии повышает интенсивность оптически тонкого излучения из оснований петли для петли, расположен ной вблизи лимба, и понижает эту интенсивность для петли, расположенной вблизи центра солнечного диска. Пространственно неразрешенные спектры сложным образом зависят от различных параметров петли, включая питч угловую анизотропию и пространственное распределение ускоренных элек тронов. Неоднородность магнитного поля в петле приводит к размытию и уширению спектрального пика и, в некоторых случаях, к формированию практически плоского спектра в определенном интервале частот. Спектраль ный индекс излучения заметно зависит от частоты, причем даже в оптически тонкой части спектра. Существенно, что простые аналитические приближе ния, которые часто используются для интерпретации наблюдений (такие как синхротронное приближение и формулы Далка-Марша), не могут достаточно точно воспроизвести спектральные индексы излучения корональных магнит ных петель с неоднородным полем.

В разделе 2.2 приводится пример использования более совершенного сред ства для моделирования солнечного гиросинхротронного излучения — про граммы GX Simulator. Данная программа использует реалистичные конфи гурации магнитного поля, полученные с помощью экстраполяции наблюдае мых фотосферных магнитограмм, что впервые открывает возможность коли чественного сравнения наблюдений и результатов моделирования. Моделиро вание используется для диагностики параметров вспышечной петли в прило жении к конкретному событию — вспышке 21 мая 2004 г., которая имела до статочно простую структуру с одной большой петлей;

результаты моделиро вания сравниваются с пространственно разрешенными наблюдениями радио гелиографа Нобеямы в микроволновом диапазоне. Данный подход позволил восстановить распределение ускоренных электронов вдоль вспышечной петли и оценить их энергетический спектр. Показано, что в рассматриваемом собы тии ускоренные электроны были сильно сконцентрированы в вершине петли, что, возможно, отражает процессы локализованной инжекции частиц и по следующего их захвата в неоднородном магнитном поле петли. С другой сто роны, использованный метод диагностики требует дополнительных данных (кроме микроволновых наблюдений), а именно, трехмерной модели магнит ного поля в солнечной короне. Можно ожидать, что строящиеся в настоящее время многоволновые инструменты с высоким пространственным разрешени ем позволят (за счет большего количества измеряемых параметров) повысить надежность диагностики и дадут возможность непосредственно определять магнитные поля в короне.

В разделе 2.3 используется другой подход, а именно, рассматриваются бо лее подробно функции распределения ускоренных электронов, которые могут формироваться в солнечных вспышках. Для моделирования этих функций распределения используется численное решение уравнения переноса частиц (уравнения Фоккера-Планка);

соответствующий численный код был разрабо тан В.В. Жарковой с коллегами. Рассматривается влияние различных фак торов (таких как столкновения, неоднородность магнитного поля и самоин дуцированное электрическое поле) на функции распределения электронов и, таким образом, на параметры генерируемого гиросинхротронного излучения.

Проведенное численное моделирование показало, что основным фактором, влияющим на радиоизлучение, является сходящееся магнитное поле (кото рое приводит к формированию распределения электронов с конусом потерь).

Тем не менее для мощных вспышек, возникающих вблизи центра солнечного диска, важен также учет самоиндуцированного электрического поля. В этом случае (для углов зрения порядка = 140 150 относительно локально го магнитного поля) влияние самоиндуцированного электрического поля (в дополнение к столкновениям и неоднородности магнитного поля) может при вести к многократному возрастанию интенсивности излучения. Кроме того, самоиндуцированное электрическое поле влияет на поляризацию излучения, увеличивая относительный вклад O-моды.

Представленные в главе 2 исследования основаны на различных подходах к построению моделей источников излучения. В разделах 2.1–2.2 основной ак цент делается на воспроизведении трехмерной структуры магнитного поля во вспышечной области, в то время как для функций распределения электро нов используются упрощенные аналитические модели. С другой стороны, в разделе 2.3 ставится задача наиболее корректного и реалистичного задания функции распределения ускоренных электронов, в то время как структура источника излучения описывается достаточно приближенно. Таким образом, данные исследования можно рассматривать как шаги (с разных сторон) к разработке новых средств для моделирования солнечного радиоизлучения, предназначенных для анализа наблюдений на будущих многоволновых ра диогелиографах.

Глава 3 посвящена исследованию зебра-структур в спектрах солнечного радиоизлучения. Зебра-структура наблюдается как набор практически па раллельных светлых и темных полос в динамическом спектре на фоне ши рокополосного всплеска IV типа;

количество полос зебра-структуры может достигать нескольких десятков. Наблюдения с высоким спектральным раз решением позволяют измерять характеристики зебра-структур с довольно высокой точностью, что потенциально может быть использовано для диагно стики различных параметров источника излучения. Однако для этого прежде всего необходимо идентифицировать механизм формирования тонкой спек тральной структуры.

Наиболее вероятным механизмом формирования зебра-структуры счита ется эффект двойного плазменного резонанса, который заключается в значи тельном возрастании эффективности генерации плазменных (верхнегибрид ных) волн, если локальная плазменная частота совпадает с гармоникой элек тронной циклотронной частоты (fp sfB );

в неоднородной вспышечной пет ле в солнечной короне указанное условие для различных номеров гармоник s выполняется на разных высотах, что и приводит к формированию полосатого спектра. Одним из возражений против данного механизма считались предъ являемые им жесткие требования к распределению ускоренных электронов — согласно некоторым исследованиям, эффект двойного плазменного резо нанса слабо выражен для электронных пучков с конусом потерь. В разделе 3.1 проводится (совместно с Ю.Т. Цапом) детальное исследование процесса генерации верхнегибридных волн;

используется полностью релятивистское описание и рассматриваются различные функции распределения ускоренных электронов. Показано, что электронные пучки со степенным распределени ем по энергии и распределением типа конуса потерь по питч-углу (которые, по-видимому, являются типичными для корональных вспышечных петель) способны обеспечить формирование зебра-структуры с большим количеством полос — до нескольких десятков;

необходимыми условиями для возникнове ния выраженного эффекта двойного плазменного резонанса являются малая дисперсия ускоренных частиц по энергии (что соответствует относительно мягким пучкам) и больше (близкие к 90 ) значения питч-угловой границы и конуса потерь. Показано также, что наблюдаемые спектры зебра-структур в дециметровом диапазоне хорошо согласуются с моделью двойного плазмен ного резонанса, что может быть использовано для диагностики параметров плазмы и магнитного поля в короне.

В разделе 3.2 представлены наблюдения зебра-структуры во вспышке января 2003 г. — первый случай обнаружения зебра-структуры на частотах выше 5 ГГц. Для данного события характерны эквидистантность спектраль ных полос, высокая синхронность частотных дрейфов различных полос и высокая степень поляризации, соответствующая X-моде. Возможно, в дан ном случае (как и в некоторых других редко наблюдаемых микроволновых зебра-структурах) генерация излучения с тонкой спектральной структурой обусловлена нелинейным взаимодействием гармоник мод Бернштейна. Про ведено аналитическое исследование и численное моделирование процессов ге нерации мод Бернштейна и их нелинейной трансформации в радиоизлучение.

Показано, что данный механизм способен обеспечить генерацию излучения с наблюдаемыми интенсивностью и поляризацией. Тем не менее одновременная генерация нескольких гармоник мод Бернштейна требует выполнения опре деленных условий — в частности, отношение температур ускоренных и тепло вых электронов должно находиться в определенном относительно узком ин тервале. Кроме того, количество полос зебра-структуры в данном механизме ограничено (не более 3–4). Таким образом, механизм формирования зебра структуры за счет нелинейного взаимодействия мод Бернштейна является менее эффективным и универсальным, чем двойной плазменный резонанс, хотя в некоторых случаях он вполне может работать, о чем свидетельствуют наблюдения высокочастотных зебра-структур.

В разделе 3.3 рассматривается «сверхтонкая временная структура» — яв ление, заключающееся в том, что полосы «зебры» в некоторых событиях состоят из отдельных коротких всплесков. Подробно исследовано событие 21 апреля 2002 г., когда радиовсплеск с выраженной сверхтонкой времен ной структурой наблюдался в широком частотном диапазоне и в течение длительного времени. Показано, что период следования импульсов сверхтон кой структуры (25–40 мс) зависит от частоты излучения;

существует также корреляция между данным периодом и скоростью частотного дрейфа полос «зебры». Указанные особенности хорошо согласуются с моделью, в которой сверхтонкая временная структура возникает в результате модуляции излу чения (на уровнях двойного плазменного резонанса) некоторым квазиперио дическим распространяющимся агентом. Необходимая скорость распростра няющегося агента составляет 1000 км с1, что делает наиболее вероят ным кандидатом на эту роль МГД-колебания. Таким образом, сверхтонкая временная структура может быть использована для диагностики мелкомас штабных МГД-колебаний в солнечной короне.

В разделе 3.4 анализируются наблюдения зебра-структуры в километро вом радиоизлучении Юпитера, сделанные аппаратом Cassini в 2000 г. Ди намические спектры радиоизлучения демонстрируют очевидное сходство с зебра-структурами, наблюдаемыми в динамических спектрах солнечного ра диоизлучения (несмотря на то, что радиоизлучение Юпитера имеет значи тельно более низкую частоту). Поэтому можно предположить, что и меха низмы формирования тонкой спектральной структуры должны быть анало гичными. В отличие от солнечных вспышек конфигурация магнитного поля и распределение плазмы в магнитосфере Юпитера являются значительно бо лее стабильными;

они были непосредственно исследованы с помощью косми ческих аппаратов. Данное обстоятельство ограничивает количество свобод ных параметров модели источника излучения и, таким образом, накладывает более жесткие ограничения на возможный механизм формирования зебра структуры. Проведенное моделирование показало, что модель двойного плаз менного резонанса позволяет качественно воспроизвести основные особенно сти наблюдаемой зебра-структуры. Излучение, по всей видимости, генериру ется в плазменном торе Ио вблизи экваториальной плоскости на расстоянии около 10 радиусов Юпитера от планеты. Таким образом, сравнение резуль татов моделирования (на основе модели двойного плазменного резонанса) с наблюдениями позволяет приблизительно определить положение источни ка излучения;

с другой стороны, пространственно разрешенные наблюдения (когда есть возможность независимого определения координат источника из лучения) могут быть использованы для восстановления профилей плотности плазмы и магнитного поля в магнитосфере Юпитера.

В главе 4 рассматривается другая разновидность тонких спектральных структур, наблюдаемых в динамических спектрах солнечных радиовсплесков IV типа — так называемые всплески с промежуточной скоростью частотного дрейфа или «волокна». Для этих всплесков (возникающих, как правило, боль шими группами) характерны скорости дрейфа порядка десятков МГц с1 и наличие полосы поглощения, прилегающей к всплеску с низкочастотной сто роны. Показано, что существующие теоретические модели (основанные на излучении пакетов вистлеров или модуляции излучения альфвеновскими со литонами) не могут адекватно объяснить наблюдаемые характеристики «во локон», в особенности на высоких частотах.

Предложена другая модель, в которой всплески с промежуточной ско ростью дрейфа возникают в результате модуляции плазменного механизма излучения распространяющимися МГД-колебаниями магнитных трубок ти па «сосисочных мод». Модуляция обусловлена вариацией локального гради ента плотности плазмы, что приводит к изменению скорости выхода плаз менных (верхнегибридных) волн из резонанса с ускоренными электронами в пространстве волновых векторов и, таким образом, к изменению плотности энергии плазменных волн. Показано, что данная модель может объяснить как наблюдаемые скорости частотного дрейфа рассматриваемых всплесков, так и их характерные спектры. Таким образом, всплески с промежуточной скоро стью дрейфа могут быть использованы для диагностики мелкомасштабных МГД-колебаний с малой амплитудой в солнечной короне.

В главе 5 рассматривается излучение ультрахолодных карликов. Ультра холодными карликами (ultracool dwarfs) называют карликовые звездные и субзвездные объекты со спектральным классом M7 (с температурой менее 2700 К), т.е., данная группа включает наиболее холодные и маломассивные красные карлики и бльшую часть коричневых карликов. Принципиальной о особенностью, позволяющей выделить данные объекты в отдельный класс, являются свойства их атмосфер: в то время как более горячие звезды обла дают горячими ионизированными коронами (похожими на солнечную), для ультрахолодных карликов характерны нейтральные атмосферы планетного типа. Недавно было обнаружено, что некоторые из ультрахолодных карли ков являются неожиданно яркими радиоисточниками;

установлено, что около 10% объектов в интервале спектральных классов M7–L3 являются источника ми интенсивного излучения в микроволновом диапазоне (было зарегистриро вано излучение на частотах от 1 до 20 ГГц). Интенсивность радиоизлучения ультрахолодных карликов сравнима с интенсивностью излучения более горя чих «классических» красных карликов или даже превосходит ее. В дополне ние к относительно постоянной (или медленно меняющейся) слабополяризо ванной компоненте, их излучение может содержать короткие периодические всплески с высокой яркостной температурой и высокой (близкой к 100%) степенью круговой поляризации;

период всплесков, по всей видимости, сов падает с периодом вращения карлика. Данные особенности нетипичны для звездного радиоизлучения и напоминают, скорее, авроральное радиоизлуче ние планет солнечной системы, хотя излучение ультрахолодных карликов ге нерируется на значительно более высоких частотах и имеет значительно более высокую интенсивность;

в частности, наиболее вероятным механизмом излу чения является электронно-циклотронная мазерная неустойчивость. Чтобы обеспечить наблюдаемые частоты излучения, ультрахолодные карлики долж ны обладать магнитными полями с напряженностью порядка нескольких ты сяч гаусс, что подтверждается рядом наблюдений. Радиоизлучение ультрахо лодных карликов является основным средством для исследования структу ры магнитного поля на подобных объектах (что важно для развития теории звездного динамо), а также для исследования магнитосферных процессов, качественно аналогичных процессам в магнитосферах планет (включая Зем лю), но протекающих в существенно отличных условиях.

В разделе 5.1 проводится численное моделирование динамических спек тров радиоизлучения ультрахолодных карликов. Магнитное поле моделиру ется наклонным диполем;

в качестве механизма генерации излучения рас сматривается электронно-циклотронная мазерная неустойчивость. Рассмат риваются две модели: излучение, индуцированное взаимодействием со спут ником (аналогично системе Ио-Юпитер) и излучение из узкого сектора ак тивных долгот (случай, аналогичный гектометровому излучению Юпитера).

Задача моделирования — воспроизвести наблюдаемые короткие периодиче ские (или квазипериодические) всплески. Как оказалось, по крайней мере, для ультрахолодного карлика TVLM 513–46546 модель со спутником не соот ветствует наблюдениям, поскольку не может воспроизвести высокую стабиль ность периода всплесков. С другой стороны, модель излучения из активного сектора способна качественно воспроизвести основные особенности наблюда емых временных профилей радиоизлучения. По всей видимости, магнитный диполь сильно наклонен по отношению к оси вращения (примерно на 60 ), т.е., магнитное поле данного объекта по своей топологии напоминает маг нитное поле Урана. Радиоизлучение должно генерироваться на магнитных силовых линиях с индексом L 2.0 2.6.

В разделе 5.2 исследуется взаимосвязь между вращением ультрахолодных карликов и их активностью в радиодиапазоне;

на основании статистического анализа наблюдений показано, что быстрое вращение является необходимым условием генерации интенсивного излучения. Сделан вывод о том, что наи более вероятным источником ускоренных частиц в магнитосферах ультрахо лодных карликов является магнитное пересоединение на границе областей коротации их магнитосфер, т.е. источником энергии для активных процессов является вращение карликов.

В главе 6 проводится численное моделирование электронно-циклотронной мазерной неустойчивости. Данная неустойчивость ответственна за генерацию аврорального километрового радиоизлучения в магнитосфере Земли, а так же, скорее всего, за генерацию основных компонент радиоизлучения других планет солнечной системы и периодических радиовсплесков от ультрахолод ных карликов. Мазерное излучение крайне чувствительно к параметрам плаз мы, магнитного поля и ускоренных частиц в своем источнике. Тем не менее использовать его в качестве диагностического средства довольно сложно, по скольку в большинстве случаев это требует применения нелинейных моде лей, учитывающих релаксацию неустойчивого распределения электронов за счет взаимодействия с возбуждаемыми волнами. Непосредственные измере ния в источниках аврорального километрового радиоизлучения Земли и Са турна показали, что данное излучение должно генерироваться распределени ями электронов типа «кольца» или «подковы»;

кинетическое моделирование электронно-циклотронной мазерной неустойчивости таких распределений по ка не проводилось.

В разделе 6.1 рассматривается совместная эволюция электромагнитных волн и распределения электронов типа «подковы» в сильноразреженной плаз ме в так называемом приближении сильной диффузии, когда пространствен ное движение волн и частиц не учитывается. Численное моделирование с помощью специально разработанного двумерного релятивистского квазили нейного компьютерного кода показало, что а) указанное распределение ге нерирует главным образом необыкновенные волны с частотой немного ниже электронной циклотронной частоты;

б) излучение направлено практически перпендикулярно магнитному полю, даже для сильноанизотропных распре делений;

в) интенсивность обыкновенной моды, а также излучения на более высоких циклотронных гармониках пренебрежимо мала;

г) эффективность мазерного механизма генерации излучения, т.е., коэффициент трансформа ции энергии электронов в излучение может превышать 10%, что заметно выше, чем для распределения с конусом потерь. Вместе с тем, полная ре лаксация неустойчивого распределения электронов происходит очень быстро — для магнитосфер ультрахолодных карликов длительность этого процес са не превышает 0.1 мс, что значительно меньше типичной длительности наблюдаемых радиовсплесков. Поэтому более реалистичные модели долж ны учитывать процессы ускорения частиц, поддерживающие существование неустойчивых распределений в течение длительного времени, а также выход излучения из своего источника.

Подобная численная модель рассматривается в разделе 6.2. Простран ственное движение электромагнитных волн (которое приводит к их выходу из источника) учитывается неявно, путем включения в модель конечного вре мени усиления. Пространственное движение электронов также учитывается неявно, путем включения в кинетическое уравнение слагаемых, описываю щих инжекцию ускоренных частиц и их выход из области генерации излу чения. Как показало моделирование, в условиях, типичных для источников аврорального километрового радиоизлучения Земли и Сатурна, основным фактором, влияющим на распределение электронов, является их выход из области генерации излучения. В результате распределение электронов ока зывается слаборелаксировавшим и достаточно близким к «подковообразно му» распределению инжектируемых электронов. Коэффициент трансформа ции потока энергии частиц в излучение, как правило, не превышает несколь ких процентов, но этого достаточно для того, чтобы обеспечить наблюдае мую интенсивность излучения. Результаты моделирования хорошо согласу ются с результатами непосредственных спутниковых измерений. С другой стороны, в магнитосферах ультрахолодных карликов следует ожидать более высокой эффективности трансформации потока энергии частиц в излучение ( 10%);

рассеяние частиц на генерируемых волнах оказывается настолько сильным, что распределения электронов должны выглядеть как почти изо тропные максвелловские или каппа-распределения. Ускоренные электроны с относительно низкой концентрацией (p /B 103 ) и энергией порядка кэВ способны обеспечить наблюдаемую интенсивность излучения ультрахо лодных карликов.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Список основных публикаций по теме диссертации Публикации в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторской диссертации 1. Кузнецов А.А. О сверхтонкой структуре солнечных микроволновых всплесков // Письма в Астрон. Журн. — 2007. — Т. 33. — С. 363–370.

Публикации в журналах, входящих в базы данных международных систем цитирования 1. Altyntsev A.T., Kuznetsov A.A., Meshalkina N.S., Rudenko G.V., Yan Y.

On the origin of microwave zebra pattern // Astron. & Astrophys. –– 2005. –– Vol. 431. –– P. 1037–1046.

2. Kuznetsov A.A. Generation of microwave bursts with zebra pattern by nonlinear interaction of Bernstein modes // Astron. & Astrophys. –– 2005. –– Vol. 438. –– P. 341–348.

3. Altyntsev A.T., Kuznetsov A.A., Meshalkina N.S., Yan Y. Observations of “zebra” pattern in cm-range with spatial resolution // Adv. Space Res. –– 2005. –– Vol. 35. –– P. 1789–1794.

4. Kuznetsov A.A. Generation of intermediate drift bursts by magnetohy drodynamic waves in the solar corona // Solar Phys. –– 2006. –– Vol. 237. –– P. 153–171.

5. Kuznetsov A.A., Tsap Y.T. Loss-cone instability and formation of zebra patterns in type IV solar radio bursts // Solar Phys. –– 2007. –– Vol. 241. –– P. 127–143.

6. Kuznetsov A.A., Tsap Y.T. Double plasma resonance and ne spectral structure of solar radio bursts // Adv. Space Res. –– 2007. –– Vol. 39. –– P. 1432– 1438.

7. Kuznetsov A.A. On the superne structure of solar microwave bursts // Astron. Lett. –– 2007. –– Vol. 33. –– P. 319–326.

8. Kuznetsov A.A. Superne temporal structure of the microwave burst on 21 april 2002: What can we learn about the emission mechanism? // Solar Phys. –– 2008. –– Vol. 253. –– P. 103–116.

9. Zharkova V.V., Kuznetsov A.A., Siversky T.V. Diagnostics of ener getic electrons with anisotropic distributions in solar ares. I. Hard X-rays bremsstrahlung emission // Astron. & Astrophys. –– 2010. –– Vol. 512. –– P. A8.

10. Fleishman G.D., Kuznetsov A.A. Fast gyrosynchrotron codes // Astro phys. J. –– 2010. –– Vol. 721. –– P. 1127–1141.

11. Kuznetsov A.A., Zharkova V.V. Manifestations of energetic electrons with anisotropic distributions in solar ares. II. Gyrosynchrotron microwave emission // Astrophys. J. –– 2010. –– Vol. 722. –– P. 1577–1588.

12. Kuznetsov A.A. Kinetic simulation of the electron-cyclotron maser in stability: Relaxation of electron horseshoe distributions // Astron. & Astro phys. –– 2011. –– Vol. 526. –– P. A161. –– arXiv: 1011.4854.

13. Zharkova V.V., Meshalkina N.S., Kashapova L.K., Kuznetsov A.A., Altyntsev A.T. Diagnostics of electron beam properties from the simultaneous hard X-ray and microwave emission in the 2001 March 10 are // Astron. & Astrophys. –– 2011. –– Vol. 532. –– P. A17. –– arXiv: 1105.3508.

14. Kuznetsov A.A., Nita G.M., Fleishman G.D. Three-dimensional simula tions of gyrosynchrotron emission from mildly anisotropic nonuniform electron distributions in symmetric magnetic loops // Astrophys. J. –– 2011. –– Vol.

742. –– P. 87. –– arXiv: 1108.5150.

15. Zharkova V.V., Meshalkina N.S., Kashapova L.K., Altyntsev A.T., Kuznetsov A.A. Eect of a self-induced electric eld on the electron beam kinetics and resulting hard X-ray and microwave emissions in ares // Geo magnetism and Aeronomy / Geomagnetizm i Aeronomiia. –– 2011. –– Vol. 51. –– P. 1029–1040.

16. Kuznetsov A.A., Vlasov V.G. Kinetic simulation of the electron-cyclotron maser instability: Eect of a nite source size // Astron. & Astrophys. –– 2012. –– Vol. 539. –– P. A141. –– arXiv: 1202.0926.

17. Kuznetsov A.A., Doyle J.G., Yu S., Hallinan G., Antonova A., Golden A.

Comparative analysis of two formation scenarios of bursty radio emission from ultracool dwarfs // Astrophys. J. –– 2012. –– Vol. 746. –– P. 99. –– arXiv:

1111.7019.

18. Antonova A., Hallinan G., Doyle J.G., Yu S., Kuznetsov A., Metodieva Y., Golden A., Cruz K. L. Volume-limited radio survey of ultracool dwarfs // Astron. & Astrophys. –– 2013. –– Vol. 549. –– P. A131. –– arXiv: 1212.3464.

19. Kuznetsov A.A., Vlasov V.G. Formation of zebra pattern in low-fre quency Jovian radio emission // Planetary & Space Sci. –– 2013. –– Vol. 75. –– P. 167–172. –– arXiv: 1209.2923.

Прочие публикации 1. Altyntsev A.T., Kardapolova N.N., Kuznetsov A.A., Lesovoi S.V., Me shalkina N.S., Sych R.A., Yan Y. Observations of microwave bursts with dier ent types of ne structure using data with high spatial and spectral resolution // Multi-Wavelength Investigations of Solar Activity / Ed. by A. V. Stepanov, E. E. Benevolenskaya, A. G. Kosovichev. –– Vol. 223 of IAU Symposium. –– Saint-Petersburg, Russia, 2004. –– P. 437–438.

2. Алтынцев А.Т., Кузнецов А.А., Мешалкина Н.С., Yan Y. Наблюдения зебра-структуры в микроволновом диапазоне // Труды VII Международной Байкальской молодежной научной школы по фундаментальной физике. — Иркутск, 2004. — С. 173–175.

3. Кузнецов А.А. Тонкие спектральные структуры в дециметровых сол нечных радиовсплесках // Труды Всероссийской конференции «Многоволно вые исследования Солнца и современные проблемы солнечной активности». — Нижний Архыз, 2007. — С. 422–434.

4. Kuznetsov A.A., Fleishman G.D. Optimized gyrosynchrotron algorithms and fast codes // IAU Symposium / Ed. by A. Bonanno, E. de Gouveia Dal Pino, A.G. Kosovichev. –– Vol. 274 of IAU Symposium. –– Giardini Naxos, Italy, 2011. –– P. 314–316. –– arXiv: 1011.3156.

5. Жаркова В.В., Мешалкина Н.С., Кашапова Л.К., Алтынцев А.Т., Куз нецов А.А. Влияние самоиндуцированного электрического поля на кинетику электронного пучка и вызванные им во вспышках жесткое рентгеновское и микроволновое излучения // Солнечно-земная физика. — 2011. — Вып. 17. — С. 16–26.

6. Antonova A., Hallinan G., Doyle J.G., Yu S., Kuznetsov A., Metodieva Y., Golden A., Cruz K. L. Radio survey of ultracool dwarfs (Antonova+, 2013) // VizieR Online Data Catalog. –– 2013. –– Vol. 354. –– P. 99131.

Отпечатано в издательском отделе ИСЗФ СО РАН Заказ №148 от 29 января 2014 г.

Объем 24 с.

Тираж 180 экз.