CC BY
26ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕОРИИ КОСМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ
Гермоген Филлипович Крымский,
академик РАН и АН РС(Я), доктор физико-математических наук, советник РАН Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН
(ИКФИА СО РАН) -обособленного подразделения ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», г. Якутск
Станислав Иванович Петухов,
доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией теории космической плазмы ИКФИА СО РАН, г. Якутск
Сергей Анатольевич Стародубцев,
доктор физико-математических наук, директор ИКФИА СО РАН, г. Якутск
Г. Ф. Крымский, С. И. Петухов, С. А. Стародубцев DOI: 10.24412/1728-516Х-2022-1-8-14
Подобные исследования проводятся в Институте космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г Шафера СО РАН уже более шестидесяти лет. Всё началось с создания в 1964 г сектора теоретических исследований с вычислительным бюро. Его возглавил Н. К. Осипов, приехавший из Новосибирска после защиты кандидатской диссертации. Но уже в октябре 1967 г. руководителем сектора стал Г. Ф. Крымский, перешедший из лаборатории вариаций космических лучей. Значительным достижением теоретиков института того времени стало создание метода, в котором на основе больших массивов наблюдений вычислялась анизотропия космических лучей. Он получил название «глобальная съёмка», который до сих пор широко применяется нашими коллегами из ИЗМИРАН и ИСЗФ СО РАН, изучающими вариации космических лучей.
В конце 1960-х годов в секторе начались теоретические исследования модуляции космических лучей и переходных процессов в солнечном ветре [1]. Были созданы модели ударных волн разных типов, разработаны модели эффекта Форбуша (понижений космических лучей, часто наблюдающихся во время магнитных бурь). Начались работы по новой магнитосферной тематике. Была предложена теоретическая схема взаимодействия магнитосферы Земли с солнечным ветром, в которой существенная роль отводилась продольным электрическим токам, соединённым с ионосферой.
В начале 1970-х годов в сектор пришло много молодых учёных и инженеров, большинство которых были выпускниками Якутского государственного университета. В их подготовке принимали активное участие сотрудники сектора. Приход молодых специалистов позволил расширить тематику исследований. Началось
полномасштабное моделирование течений, теоретическая параметризация геофизических явлений и явлений в космических лучах, феноменологическое описание кинетических процессов. Пополнение новыми кадрами, а также общий прогресс технологий привели к значительному усилению использования электронно-вычислительных машин (ЭВМ) в работах сектора.
Потенциал теоретиков института того времени может быть оценён по одному эпизоду, касающемуся выполнения задания академика АН СССР С. Н. Вернова, бывшего тогда директором научно-исследовательского института ядерной физики (НИИЯФ МГУ) и куратором всей советской космической науки. С. Н. Вернов на коротком временном интервале выявил эффект группировки солнечных пятен на выделенных солнечных долготах, т. е. максимум в долготном распределении пятен, что и породило наше название работы «Пик Вернова». Проверка наличия этого эффекта на длительном временном интервале требовала использования ЭВМ. Сотрудники ВЦ НИИЯФ брались создать программу обработки данных за полгода. Теоретики ИКФИА написали и отладили первый вариант программы за одну ночь. Эпизод ночной работы участников штурма «Пика Вернова», расположившихся в зале учёного совета, запечатлён на рис. 1.
В середине 1970-х годов в теоретическом отделе начала разрабатываться новая научная тематика, впоследствии ставшая основной исследования процессов ускорения космических лучей в гелиосфере. Поиск эффективных механизмов ускорения, развитие их детальной теории были призваны дать исчерпывающее объяснение явлениям генерации энергичных заряжённых частиц - космических лучей.
Рис. 1. Штурм «Пика Вернова» научными сотрудниками лаборатории.
Слева направо: Ю. А. Ромащенко, И. А. Транский, С. М. Камолдинов, С. И. Петухов, Г. Ф. Крымский, В. К. Елшин (1977 г.)
научные разработки вышли на новый уровень использования вычислительной техники - началось освоение новых компьютерных технологий.
В то время проблема ускорения космических лучей решалась во многих лабораториях мира. Но именно усилиями наших сотрудников в начале 1990-х годов была создана нелинейная кинетическая теория регулярного ускорения космических лучей в остатках сверхновых, последовательно учитывающая основные физические факторы, влияющие на протекание этого процесса, что являлось крупным научным успехом. Проведённые исследования
Основополагающим шагом в этом направлении явилась работа Г Ф. Крымского [2], в которой было установлено существование эффективного процесса регулярного ускорения космическихлучей на фронтах ударных волн в космической плазме. Необходимые для такого ускорения условия широко распространены в космосе, поэтому наблюдаемые в природе явления ускорения космических лучей распространяются на различные объекты, включая остатки взрывов сверхновых звёзд, ядер активных галактик и пр.
Со временем стало ясно, что процесс регулярного ускорения, развивающийся в остатках сверхновых звёзд, обладает всеми необходимыми свойствами, чтобы обеспечить наблюдаемый спектр галактических космических лучей, по крайней мере, вплоть до энергии 1015 эВ. Поскольку проблема происхождения космических лучей является одной из наиболее важных и актуальных в астрофизике, разработка детальной теории регулярного ускорения космических лучей постепенно стала занимать основное место в тематике исследований теоретического отдела.
Между тем в 1986 г. теоретический сектор был преобразован в отдел, в котором были созданы два сектора - аэрономический и астрофизический (рис. 2). В 1987 г руководителем отдела стал Е. Г. Бе-режко (рис. 3). В это же время в институте появились первые персональные компьютеры, поэтому
Рис. 2. Сотрудники теоретического отдела ИКФИА (1986 г.).
Нижний ряд, слева направо: В. П. Фёдоров, Ю. А. Ромащенко, В. С. Данилова, Г. Ф. Крымский, Л. П. Шадрина, В. Н. Курилкина, М. Г. Гельберг. Верхний ряд, слева направо: С. Н. Танеев, П. Ф. Крымский, С. И. Петухов, А. А. Турпанов, В. К. Елшин, П. Д. Решетников, Е. Г. Бережко, А. Е. Аммосов, В. С. Николаев, Ю. Н. Романов
Рис. 3. Юбилейный, трёхсотый семинар лаборатории. Е. Г. Бережко представляет свою докторскую диссертацию (1987 г.)
выявили ряд новых, принципиально важных особенностей. Было впервые надёжно показано, что процесс ускорения формирует спектр ускоренных частиц со свойствами, необходимыми для объяснения наблюдаемого спектра галактических космических лучей. Эти работы Е. Г. Бережко и его соавторов получили широкое международное признание [3, 4].
В 1993 г. теоретический отдел был преобразован в лабораторию теории космической плазмы, в которой сохранились те же два сектора, а вместе с лабораторией космических лучей высоких энергий образован отдел физики космической плазмы, который возглавил Е. Г. Бе-режко.
В начале 2000-х годов в лаборатории появились новые направления исследований. Начались разработки самосогласованной модели ускорения солнечных космических лучей ударными волнами, порождёнными корональными выбросами массы вещества в нижней короне Солнца, которая должна последовательно учитывать влияние основных физических факторов, играющих существенную роль в процессе ускорения частиц и модели Форбуш-пониже-ния в электромагнитном поле магнитного облака, учитывающей изменение интенсивности космических лучей при воздействии индуцированного электрического и винтового магнитного полей. В настоящее время ведутся исследования динамики флуктуаций интенсивности космических лучей, в результате которых установлена коррелированность флуктуаций на разных временных масштабах в возмущённые периоды. Эти исследования важны для прогноза прихода крупномасштабного возмущения солнечного ветра на орбиту Земли с заблаговре-менностью до одних суток, а также наступления активной фазы солнечного цикла с заблаговременностью до одного оборота Солнца (27 дней). Кроме того, поскольку космические лучи содержат информацию о предстоящем развитии 11-летнего солнечного цикла, то на основании анализа флуктуаций космических лучей в прошедших циклах уже в 2006 г. был сделан вывод о сбое в активности Солнца в предстоящем 24-м цикле, что в реальности и наблюдалось.
Сегодня в лаборатории теории космической плазмы продолжаются работы по исследованию регулярного ускорения космических лучей на ударных волнах в нижней короне Солнца и межпланетной среде, а также в остатках сверхновых (рис. 4), разрабатываются более реалистичные модели Форбуш-понижений с целью прогноза космической погоды, ведётся мониторинг флуктуаций космических лучей. Идёт тесная работа с Северо-Восточным федеральным университетом; наши сотрудники читают лекции по физике космических лучей и физике высоких энергий [5]. Многие студенты проходят в лаборатории теории космической
Рис. 4. Представление докторской диссертации Л. Т. Ксенофонтова на семинаре института (2016 г.)
плазмы производственную практику и пишут выпускные квалификационные работы.
Теория ускорения солнечных космических лучей на ударных волнах
В течение прошедшего десятилетия коллективом лаборатории были получены решающие доказательства того, что солнечные космические лучи в наиболее мощных, так называемых постепенных событиях, генерируются в солнечной короне в результате ускорения частиц ударной волной, сопровождающей выброс ко-рональной массы солнечного вещества [6]. Сотрудники лаборатории на основе численного решения уравнения переноса частиц в диффузионном приближении рассмотрели ускорение частиц в условиях солнечной короны, создали линейный и квазилинейный (учитывается самосогласованная генерация турбулентности ускоренными частицами) варианты модели.
Рассмотрен следующий сценарий ускорения солнечных частиц ударной волной в нижней короне Солнца. Основная доля энергии пересоединения силовых линий магнитного поля уходит на образование и разгон коронального выброса из хромосферы в нижнюю солнечную корону, а также разогрев плазмы до сверхтепловых энергий. Часть энергии выброса передаётся на образование ударной волны, на фронте которой при её распространении от Солнца, частицы разогретой плазмы ускоряются до предельно возможных (максимальных) энергий в результате процесса регулярного (диффузионного) ускорения ионов. Согласно расчётам, для возможных экстремальных случаев, когда скорость ударной волны в нижней короне Солнца составит 5000 км/с, то уже на расстояниях до трёх солнечных радиусов в течение 3-4 минут протоны могут быть ускорены до энергий в сотни ГэВ (рис. 5). Правда, таких событий за всё время регистрации наземных возрастаний солнечных космических лучей с 1942 г. не наблюдалось [7].
10
33
О
и го т
10
34
10
2S
1 1 ■■ ■ U|j-г I i И Hip- | mm) ■ 1 тля—г- ТТТТТЩ— ТТТЩ^-1 1 Llllll[-Г-
— ХХЧ -
1-1.11 '
2-1.16 '
ч 3 -1 29 -
\ \ 4 -1.64
\ 5 - S 02
\ \ 'v ^4 \ \\
1 \ ■1 h 1-\ V« \ 1 ч 1 S | ■ Ч * i \ \
\ 1 ■l 1 V 1 \ i V V л
1 А щ ■ 3 4 m
.......| \\ 1 -liLi-LUlui—L. 1 1 ......'1 V \ i ' 1, Ja .U' i1 \ r .»r.J t 1
ю1
10 &, МэВ
10
Рис. 5. Суммарный энергетический спектр Nпротонов, произведённых быстрой ударной волной в нижней короне Солнца.
Сплошные линии соответствуют квазилинейному варианту расчёта, а штриховые - линейному (не учитывающему генерацию частицами альфвеновских волн). На расстоянии 5 Я0 ударной волной было произведено максимальное число ускоренных частиц. Точками приведён результат квазилинейного расчёта для расстояния от Солнца . Сравнение сплошной кривой для 5 я0 с точечной кривой на 3 я0 позволяет сделать вывод о том, что ускорение протонов практически
завершилось на 3
ляют примерно 3-5 и 5-10 радиусов Солнца,соответственно, что согласуется с наблюдениями (рис. 6) [9].
Галактические космические лучи в магнитных облаках
Для изучения распространения галактических космических лучей во внутренней гелиосфере, сотрудниками лаборатории был разработан оригинальный метод расчёта траекторий заряжённых частиц в электромагнитных полях. Он основывается на решении уравнения Больцмана, что позволяет определять плотность функции распределения космических лучей в любой точке пространства и времени, из какой точки пространства они пришли и как изменился импульс каждой частицы. В настоящее время этот метод применяется для изучения формирования Форбуш-понижения в магнитном облаке [10].
Была создана теория формирования Форбуш-понижения в электромагнитном поле магнитного облака [11]. Сопоставление рассчитанных характеристик понижений Форбуша с измерениями показало, что амплитуда
Детальное исследование процесса формирования спектра солнечных космических лучей, ускоренных ударными волнами в солнечной короне, выполнено на основе численного решения уравнения переноса частиц в диффузионном приближении [8]. Из решения системы газодинамических уравнений установлено соотношение между скоростями коронального выброса массы и ударного фронта, движущимися в солнечной атмосфере. Установлено, что скорость фронта увеличивается при уменьшении начального радиуса коронального выброса массы. Был проведён расчёт с учётом реалистичного набора параметров. Получено, что в зависимости от начального радиуса коронального выброса массы, его скорости, плотности магнитной энергии альфвеновских волн в случае классического колмогоровского спектра турбулентности в течение 10-60 минут после начала выброса массы формируется спектр ускоренных частиц. Тогда максимальные энергии в спектре достигают значений 0,1-10 ГэВ. При этом радиусы коронального выброса массы и ударного фронта состав-
II(Pi
Rs=6
Vp-1200 km s1 Rpo=L5
> V
? ш> Ь
H
£ О
10'*
2001 April 15 2003 October 28 2000 July 14
Рис. 6. Максимальные значения потока СКЛ в зависимости от энергии на орбите Земли.
Точками обозначены экспериментальные данные; сплошные кривые ■ результаты расчёта
понижения количественно, а анизотропия космических лучей качественно соответствуют измерениям (рис. 7).
Прогноз активной фазы солнечного цикла по космическим лучам
По измерениям нейтронного монитора станции Оулу (Финляндия) в 2006 г с заблаговременностью 1-2 оборота Солнца впервые был дан среднесрочный прогноз активных фаз 11-летнего цикла (http://www. forshock.ru/predlong.html). Он был выработан на основе анализа предвестников в параметре флуктуаций интенсивности галактических космических лучей, которые являются индикатором перестройки магнитного поля на переходном режиме к активной фазе солнечного цикла [12]. Методика прогнозирования основана на методах вероятностной теории разрушения сплошных сред и теории надёжности, в которых поиск переходного режима сводится к определению так называемой «функции риска». Его роль в этом случае играет
параметр флуктуаций галактических космических лучей. В качестве примера на рис. 8 представлены результаты расчёта параметра флуктуаций галактических космических лучей за 1999-2021 гг. Здесь низкие значения параметра флуктуаций космических лучей, регистрируемые после предвестников на фоне низких значений их интенсивности, означают диагностику прогнозируемых фаз солнечного цикла. В частности, это фаза максимума спорадической активности Солнца (2011-2012 гг.), геоэффективная фаза начала ветви спада текущего солнечного цикла (с 2014 на 2015 гг.) и фаза неожиданной активизации в окрестности минимума текущего 24 цикла (июль - сентябрь 2017 г.). Таким образом, введённый параметр флуктуаций галактических космических лучей позволяет в среднем с заблаговременностью 1-3 оборота Солнца выработать среднесрочный прогноз активных фаз 11-летнего солнечного цикла (http://www.forshock.ru/predlong.html).
16 ИЮЛЯ, го00 21 Июля, 2004
Рис. 7. Результаты сопоставления модельных расчётов Форбуш-понижения в магнитном облаке с данными наблюдений в событиях 14.07.2007 и 27.07.2004.
Здесь на панелях а, б представлены компоненты напряжённости магнитного поля в зависимости от времени. Тонкими линиями показаны наблюдаемые значения, толстыми - результаты моделирования; на панелях в, г - скорость движения плазмы; д, е - интенсивность космических лучей. На панелях в-е чёрными линиями показаны измерения, красными линиями - расчёт. Вертикальными штриховыми линиями обозначены границы
магнитного облака
Мл кс. CA
23 цикл
НИН. CA Макс. САГ
24 цикл
2Ь цикл
- ||]РРЩ1ГР1М1Р1|||НРЦНН|| F.......................................I....................ч i im »npi 11 яиц mnii iwjnwia »|м »и
i1 "'.] ' . Al| è 1 llift
fr ..,' IV Г.:
Ш Й : M kr лгп.......г -.....татГжтшжгчй.......жгЬ^'
1 я с
4 Мрввря 2022, оборот Солнца Nî 2569
^rtr^tn^imwrrmprrnwwrrjrwrwwmprmwrrr^wrwmwrfmwwrmfrwwmrrwfrwwwnTrwpi.....npvrmvvvfvnvmvpmvvvnfnvvvnvvpmvvvH|vvTn
OOOOOOQOOOOOOOOO
Номера 2 7. дне в н i. J к опоротое Солнц л, по системе Бартепьсз
6Î00 ееоо
64С0 6200 босо
5Ё00
ssoii 5400 5200
И... ..................... I I ■ .................... . ' ' I......^........ I ■ I I ■ ■
g g § § о . 2 й (Ч N PI S s
Время, годы
ю
5
tj
В
»I |'| i iMTi i i i'i'i I Î
О ся
a s
N ГЛ
Рис. 8. Результаты мониторинга космических лучей с 1999 по 2022 гг.
Сплошная кривая - 27-дневные значения параметра флуктуаций космических лучей в относительных единицах (шкала слева). Показан 90 %-ный уровень значимости. Значения параметра, лежащие внутри области, обозначенной бирюзовым цветом, отнесены к «космическому шуму». Значения параметра, превышающие верхний уровень «космического шума», отнесены к предвестникам. Жёлтыми прямоугольниками показаны периоды переполюсовки общего магнитного поля Солнца. Синяя пунктирная кривая означает скорость счёта космических лучей нейтронного монитора станции Оулу (Финляндия), усреднённая по 7776 точкам пятиминутных значений в течение каждого оборота Солнца. Предвестники: начало 24 цикла солнечной активности показано точечной чёрной стрелкой, начало фазы роста - сплошной чёрной стрелкой, фаза максимума 24 цикла - сплошной стрелкой красного цвета, завершение фазы инверсии общего магнитного поля Солнца - пунктирной стрелкой синего цвета, начало геоэффективной фазы на ветви спада -сплошной стрелкой синего цвета. Низкие значения параметра флуктуаций в 2011-2012, 2014-2015, 2017 гг. и в 2021 гг. (заключены в овал) означают диагностику активных фаз солнечного цикла. Кругами жёлтого цвета показаны предвестники активных фаз в начале нового 25 цикла: обороты № 2565 (сентябрь 2021 г.)
и № 2568 (декабрь 2021 г.).
Теория ускорения космических лучей в остатках сверхновых
Е. Г. Бережко и Л. Т. Ксенофонтовым [13] разработана теория ускорения космических лучей в остатках сверхновых звёзд, которая позволяет изучать процесс формирования спектра космических лучей, эволюцию остатков сверхновых и свойства их нетеплового излучения. Было показано, что процесс ускорения космических лучей ударной волной от сверхновых характеризуется высокой эффективностью: энергосодержания ускоренных ударной волной от сверхновой космических лучей достаточно для восполнения потерь их энергии, связанной с выходом из Галактики. Теория также хорошо объясняет все наблюдаемые свойства нетеплового излучения остатков сверхновых: СН 1006, СН Тихо, СН 1987А и др., что является реша-
ющим подтверждением эффективного ускорения космических лучей. Таким образом, на основе детального исследования процесса регулярного ускорения космических лучей в остатках сверхновых установлено, что ОСН являются основным источником галактических космических лучей, вплоть до энергий порядка 1017 эВ (рис. 9).
За научные достижения сотрудники лаборатории теории космической плазмы были удостоены премии Ленинского комсомола Якутии (И. А. Транский, 1976 г) и Государственной премии РС(Я) по науке и технике (Е. Г. Бережко, В. К. Елшин, Г Ф. Крымский, Л. Т. Ксено-фонтов, С. И. Петухов, 1997 г.), а также избраны в члены РАН: Г. Ф. Крымский - действительным членом РАН (1997 г.), Е. Г. Бережко - членом-корреспондентом РАН (2008 г.).
I I И"1|......Д||-■ |Ч1Ш|.................t-1 ■ I Чц..................
ЛО' -
*АТК:-2 »JACEE ■ KASCAOE < ЯКУ ШЛИ +Auger
Hffta
а. и и
£
CD
н
10е
1000
гэа
Рис. 9. Интенсивность космических лучей (толстая сплошная линия), галактическая компонента космических лучей, произведённая в остатках сверхновых (тонкая штриховая линия) и внегалактическая компонента космических лучей (тонкая штрих-пунктирная линия), как функции энергии. Представленные данные получены в экспериментах ATIC-2, JACEE, KASCADE, Auger, HiRes и ЯКУШАЛ.
Список литературы
1. Крымский, Г. Ф. Диффузионный механизм суточной вариации космических лучей /Г.Ф. Крымский //Гео-маг. и аэрон. - 1964. - Т. 4, № 6. - С. 977-986.
2. Крымский, Г. Ф. Регулярный механизм ускорения заряжённых частиц на фронте ударной волны / Г. Ф. Крымский //Докл. АН СССР. - 1977. - Т. 234, вып. 6. - С. 1306-1308.
3. Генерация космических лучей ударными волнами / Е. Г. Бережко [и др.]. - Новосибирск: Наука, 1988. -С. 182.
4. Бережко, Е. Г. Ускорение космических лучей ударными волнами / Е. Г. Бережко, Г. Ф. Крымский // Успехи физических наук. - 1988. - Т. 154, вып. 1. - С. 49-91.
5. Бережко, Е. Г. Введение в физику космоса / Е. Г. Бережко. - М. : Физмат-лит, 2014. - С. 264.
6. Taneev S.N., Berezhko E.G. Solar cosmic ray aceeleration at the front of a fast shock in the lower corona // Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2020. V. 131. No. 3. P. 422-431.
7. Berezhko E.G., Taneev S.N. Shock acceleration of solar cosmic rays //Astronomy Letters. 2013. V. 39. No. 6. P. 393-403.
8. I.S. Petukhov and S.I. Petukhov Galactic cosmic ray intensity dynamics in the presence of large-scale solar wind disturbances // Astronomy Letters. 2009. V. 35. N. 10. pp. 701-711. doi:10.1134/ S1063773709100077.
9. A.S. Petukhova, I.S. Petukhov, S.I. Petukhov, L.T. Ksenofontov. Solar Energetic Particle Acceleration by a Shock Wave Accompanying a Coronal Mass Ejection in the Solar Atmosphere //Astrophys. J. 2017. V.836. No. 1. P. 36.
10. A.S. Petukhova, I.S. Petukhov, S.I. Petukhov. Forbush decreases in a magnetic cloud // Space Weather. 2020. V.18. Issue 12. e2020SW002616.
11. A.S. Petukhova, I.S. Petukhov and S.I. Petukhov Theory of the Formation of Forbush Decrease in a Magnetic Cloud: Dependence of Forbush Decrease Characteristics on Magnetic Cloud Parameters // The Astrophys.J. 2019. V. 880. N. 1. doi:10.3847/1538-4357/ab2889.
12. Kozlov, V.I. Outside Detection of a Powerful Source of Activity on the Sun on the Basis of the «Halo» Effect in Cosmic Rays // Cosmic Research. 2021. V. 59. N. 5, pp. 312-323. doi:10.1134/S0010952521050075.
13. Berezhko E.G. Origin of Galactic Cosmic Rays from Supernova Remnants. // Nuclear Physics B Proceedings Supplements. 2014. V. 256. pp. 23-35. doi:10.1016/ j.nuclphysbps.2014.10.003.
Если просмотреть тридцать драматических пьес и при каждом представлении спрашивать себя: «Что этим хотел высказать автор? Каково было его намерение и цель? Что в этом хорошо и что дурно? Что удалось выразить хорошо и что неудачно?» - если отдавать себе такой отчёт по каждой сцене, - то нет сомнения, что тридцать первую пьесу можно создать самому.
Ф. Шиллер
Живёт свободно только тот, кто испытывает радость при исполнении своего долга.
Цицерон
