Магнитное пересоединение и вспышки в астрофизической плазмеНИР

Magnetic reconnection and flares in astrophysical plasma

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Магнитное пересоединение и вспышки в астрофизической плазме
Результаты этапа: 1) Исследован вопрос о наиболее типичной структуре трехмерной нулевой точки и установлено, что с подавляющей вероятностью реализуются неосесимметричные конфигурации с шестью асимптотическими направлениями ("шестихвостки"). Результат опубликован [Думин Ю.В., Сомов Б.В. Письма в Астрон. журн., т.42, с.850, 2016]. С использованием теории Морса-Смейла выведены обобщенные теоремы, связывающие количество и тип нулевых точек по Морсу с количеством и типом источников поля (точечных магнитных полюсов) при произвольном количестве последних. Проведено исследование структуры магнитного поля в модели "топологического триггера" [Горбачев В.С., Кельнер С.Р., Сомов Б.В., Шварц А.С. Астрон. журн., т.65, с.601, 1988]. Установлено, что с точки зрения глобальной топологии магнитного поля появление бифурцированной нулевой точки, быстро перемещающейся в короне на значительные расстояния, связано с формированием и перемещением дополнительной "квази-сепаратрисы". 2) Выполнен расчет течений плазмы в окрестности области магнитного пересоединения в короне Солнца. Рассматриваемая модель включает в себя тонкий токовый слой Сыроватского и присоединенные к его концам МГД разрывы. Для описания течений в данной модели используется система уравнений магнитной гидродинамики в приближении сильного магнитного поля и высокой проводимости среды. При указанных предположениях начально-краевая задача для системы МГД уравнений сведена к краевой задаче Римана – Гильберта в области пересоединения относительно магнитного поля и к начально-краевой задаче для специальной системы уравнений с частными производными относительно скорости и плотности плазмы (в которую магнитного поле входит параметрически). Магнитное поле найдено в аналитическом виде, позволяющем осуществлять эффективную численную реализацию (включая построение картины поля в области пересоединения) и исследовать его интегральные и дифференциальные характеристики в области пересоединения вплоть до токового слоя и ударных волн. Для задачи относительно скорости и плотности плазмы построен эффективный численный алгоритм, с помощью которого рассчитаны траектории “жидких частиц” плазмы и распределение плотности плазмы. Показана возможность резкого падения плотности плазмы вблизи токовой конфигурации, что создает благоприятные условия для разрыва токового слоя и возникновения вспышки. Результаты приняты к печати [Безродных С.И., Колесников Н.П., Сомов Б.В. Астрон. журн., т.94, 2017]. 3) С целью интерпретации современных спутниковых наблюдений последовательного увеличения яркости корональных петель в солнечных вспышках решена задача о тепловой устойчивости малых возмущений однородного пересоединяющего токового слоя. В рамках магнитогидродинамического приближения показано, что условием неустойчивости служит эффективное подавление теплопроводности плазмы возмущением магнитного поля внутри слоя. Неустойчивость в линейной фазе нарастет за характерное время лучистого охлаждения плазмы. В результате неустойчивости в токовом слое может образовываться периодическая структура холодных и горячих волокон, расположенных поперек направления электрического тока. Предлагаемый механизм тепловой неустойчивости пересоединяющего токового слоя полезен для объяснения последовательного увеличения яркости, “поджига”, вспышечных петель в солнечных вспышках. Результат опубликован [Леденцов Л.С., Сомов Б.В. Письма в Астрон. журн., т.42, с.925, 2016]. 4) Получено теоретическое подтверждение не только существования, но и высокой эффективности ускорения частиц в коллапсирующей магнитной ловушке (ускорение Ферми первого порядка и бетатронный нагрев) во время солнечной вспышки 19 июля 2012 года [Liu R. Mon. Not. R. Astron. Soc., v.434, p.1309, 2013; Krucker S., Battaglia M. Astrophys. J., v.780, p.107, 2014]. Предложено наиболее полное описание вспышки, включающее в себя модели коронального и хромосферного источников жёсткого рентгеновского излучения (приближения тонкой и толстой мишени с обратным током), дополненные моделью корональной магнитной ловушки. Результаты моделирования хорошо соответствуют данным внеатмосферных наблюдений Солнца с высокой точностью. Результат опубликован [Грицык П.А., Сомов Б.В. Письма в Астрон. журн., т.42, с.586, 2016]. 5) Рассчитаны профили температуры, концентрации и скорости течения плазмы вдоль магнитной трубки, один конец которой находится в короне, а другой погружен в хромосферу на некоторую глубину, в случае вертикально расположенной магнитной трубки с учетом гравитации и течения плазмы вдоль магнитной трубки. Показано, что перенос тепловой энергии вдоль магнитных трубок может быть хорошо описан в приближении классической электронной столкновительной теплопроводности вплоть до больших скоростей в основании переходного слоя. Рассчитанное жесткое ультрафиолетовое (EUV) излучение хорошо согласуется с современными космическими наблюдениями Солнца. Результат опубликован [Дунин-Барковская О.В., Сомов Б.В. Письма в Астрон. журн., т.42, с.908, 2016]. 6) Получено в явном виде аналитическое решение задачи о структуре неравновесной магнитосферы, образующейся в результате взаимодействия мощной ударной волны от сверхновой с магнитным полем нейтронной звезды. Модель магнитосферы предполагает, что ее граница заранее не известна и определяется равновесием внешнего газового давления набегающего потока плазмы за фронтом ударной волны и внутренним давлением магнитного поля в магнитосфере нейтронной звезды. Собственное поле звезды моделируется точечным магнитным диполем. Внутри магнитосферы предполагается наличие системы электрических токов, образующихся в результате быстрого сжатия магнитосферы и формирования вытянутого магнитосферного хвоста, в котором возможно магнитное пересоединение. Построенное решение позволит найти величину прямых и обратных токов в пересоединяющем токовом слое в магнитосферном хвосте. Наличие обратных токов обеспечивает избыток магнитной энергии, необходимый для объяснения космических всплесков жесткого электромагнитного излучения. 7) Отработана методика наблюдения магнитных полей новым способом с помощью ПЗС-спектрогелиографа на телескопе АТБ-1 ГАИШ МГУ. Полученные результаты проанализированы, представлены в виде статьи и приняты в печать [Nikulin I.F. Astron. and Astrophys. Trans., v.30, 2017].
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Магнитное пересоединение и вспышки в астрофизической плазме
Результаты этапа: 1) Наблюдения "топологических" микровспышек в солнечной атмосфере. Предложено использование механизма "топологического триггера" для объяснения аномально большой скорости распространения микровспышек в хромосфере Солнца, а также их пространственной локализации вдоль траекторий, упирающихся своими концами в нулевые точки магнитного поля на поверхности фотосферы. Дано "топологическое" объяснение трех- и четырехлепестковой структуры, наблюдающейся в основании так называемых "анемонных" микровспышек. Ref.: Dumin Y. V., Somov B. V. // Research Notes of the American Astronomical Society. — 2017. — Vol. 1, no. 1. — P. 15. 2) О разрывных течениях плазмы вблизи пересоединяющего токового слоя в солнечных вспышках. В приближении сильного магнитного поля исследуется модель магнитного пересоединения в плазме высокой проводимости в короне Солнца, включающая в себя токовый слой Сыроватского и присоединенные к его концам магнитогидродинамические (МГД) разрывы. С использованием двумерного аналитического решения для магнитного поля выполнен расчет распределений скоростей течения плазмы и ее плотности в окрестности соответствующей токовой конфигурации. Исследованы свойства скачков плотности и скорости вдоль присоединенных разрывов. Исходя из характера изменения магнитного поля и течений плазмы на МГД-разрыве, показано, что при рассмотренных значениях параметров МГД-разрыв включает в себя области транс-альвеновской, быстрой и медленной ударных волн. Полученные результаты могут быть полезны для объяснения наличия “сверхгорячей” (с эффективной электронной температурой более 10 кэВ) плазмы в солнечных вспышках. Отмечаются другие возможные приложения теории разрывных течений вблизи области магнитного пересоединения к аналогичным нестационарным явлениям в астрофизической плазме. Ref.: Безродных С. И., Колесников Н. П., Сомов Б. В. // Астрономический журнал. — 2017. — Т. 94, № 3. — С. 259–276. 3) Тепловая неустойчивость пересоединяющего токового слоя как триггер солнечных вспышек. В приближении диссипативной магнитной гидродинамики исследована устойчивость малых возмущений пересоединяющего токового слоя в плазме с сильным магнитным полем. Рассмотрен случай, когда волновой вектор возмущений параллелен электрическому току в слое. Показано, что причиной неустойчивости служит подавление теплопроводности плазмы возмущением магнитного поля внутри слоя. На линейной стадии развития неустойчивости возмущения нарастают с характерным временем лучистого охлаждения плазмы, которое рассчитано в приближении оптически прозрачной плазмы с космическим обилием элементов. На нелинейной стадии неустойчивости в токовом слое следует ожидать формирование периодической структуры холодных и горячих трубок магнитного потока, ``волокон'', расположенных поперек направления тока. Предлагаемый механизм тепловой неустойчивости токового слоя может объяснять последовательное увеличение яркости, ``поджиг'', в аркадах магнитных петель в солнечных вспышках. Ref.: Леденцов Л. С., Сомов Б. В. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 2017. — Т. 152, № 2. — С. 405–415. 4) Ускорение электронов в магнитных ловушках солнечной вспышки: модельные свойства и их наблюдательные подтверждения. С помощью аналитического решения кинетического уравнения мы исследовали модельные свойства коронального и хромосферного источников жесткого рентгеновского излучения в лимбовой вспышке 19 июля 2012 г. В приближении толстой мишени с обратным током мы рассчитали спектр излучения в основаниях вспышечной петли и показали, что он согласуется с наблюдаемым. Спектр коронального источника, расположенного над вспышечной петлей, рассчитан в приближении тонкой мишени. При этом показатель наклона спектра жесткого рентгеновского излучения воспроизводится очень точно, но интенсивность коронального излучения в несколько раз ниже наблюдаемой. Ранее нами было показано, что это противоречие полностью устраняется, если учесть дополнительное (относительно первичного ускорения в пересоединяющем токовом слое) ускорение электронов в корональной магнитной ловушке, которая сжимается в поперечном направлении и уменьшается по длине во время импульсной фазы вспышки. В настоящей статье мы детально исследуем данный эффект в контексте более реалистичного сценария вспышки, когда за время всплеска в жестком рентгеновском диапазоне существовал целый ансамбль ловушек, каждая из которых находилась на разных этапах своей эволюции: формирование, коллапс, уничтожение. Полученные в работе результаты указывают не только на существование ускорения Ферми первого порядка и бетатронного нагрева электронов в солнечных вспышках, но и на высокую их эффективность. На примере высокоточных наблюдений конкретной вспышки предсказанные ранее теоретические особенности модели находят убедительные подтверждения. Ref.: Грицык П. А., Сомов Б. В. // Письма в "Астрономический журнал" (Астрономия и космическая астрофизика). — 2017. — Т. 43, № 9. — С. 676–686. 5) Об эффективном механизме генерации ударных волн в спокойном переходном слое Солнца. В проблеме нагрева короны Солнца обычно постулируются две конкурирующие фундаментальные гипотезы: нагрев нановспышками и нагрев волнами. В рамках второй из них предполагается, что из конвективной зоны приходят акустические и магнитогидродинамические возмущения, амплитуда которых нарастает при распространении в среде с падающей плотностью. Формирующиеся при этом ударные волны нагревают корону. В данной работе мы обращаем внимание на еще один, весьма эффективный процесс генерации ударных волн, который может реализоваться при определенных условиях, характерных для спокойных областей на Солнце. В приближении стационарной диссипативной гидродинамики нами показано, что в спокойном переходном слое между короной и хромосферой ударная волна может возникать за счет падения вещества из короны в хромосферу. Такая ударная волна направлена вверх, и ее диссипация в короне возвращает часть кинетической энергии падающего вещества в тепловую энергию короны. Обсуждаются перспективы разработки количественной нестационарной модели явления. Ref.: Дунин-Барковская О. В., Сомов Б. В. // Письма в "Астрономический журнал" (Астрономия и космическая астрофизика). — 2017. — Т. 43, № 8. — С. 624–630.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Магнитное пересоединение и вспышки в астрофизической плазме
Результаты этапа: 1) О разрывных течениях плазмы вблизи пересоединяющего токового слоя в солнечных вспышках. Продолжено изучение двумерной системы уравнений магнитной гидродинамики в приближении сильного магнитного поля вблизи токовых конфигураций, состоящих из токовых слоев с присоединенными ударными волнами; при этом допускается возможность распада токового слоя на параллельные ленты. Для весьма общих токовых конфигураций решена задача о расчете магнитного поля, представляющая основную трудность при изучении рассматриваемых течений плазмы. При этом построение магнитного поля сведено к нахождению новых аналитических представлений для обобщенной гипергеометрической функции многих переменных (естественным образом возникающей во многих задачах теоретической физики). Bezrodnykh S.I. Analytic continuation of the Lauricella function with arbitrary number of variables // Integral Transforms and Special Functions, vol. 29, № 1, p. 21-42 (2018) 2) Ускорение электронов в коллапсирующих магнитных ловушках во время солнечной вспышки 19 июля 2012 г. Природа жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек хорошо известна. Наблюдаемое излучение, как в короне, так и в хромосфере состоит из двух компонент: нетепловой и тепловой. Нетепловая компонента обусловлена тормозным излучением ускоренных электронов, тепловая тормозным излучением нагретых электронов плазмы. Вследствие того, что спектры нетеплового и теплового жесткого рентгеновского излучения частично перекрываются, их корректная интерпретация напрямую зависит от точности кинетических моделей, описывающих распространение в атмосфере Солнца убегающих электронов тепловой и нетепловой природы. Эволюция функции распределения последних, т.е. электронов, ускоренных в области магнитного пересоединения, точно описывается в приближении современных моделей толстой мишени с обратным током. В настоящей работе рассмотрена модель теплового убегания электронов, было найдено аналитическое решение соответствующего кинетического уравнения, в котором учтены кулоновские столкновения. Сделаны оценки степени поляризации излучения, которая не превышает ~5%. Полученная функция распределения может быть также использована для расчета спектра теплового рентгеновского излучения и, как следствие, интерпретации наблюдений тепловой компоненты в рентгеновском спектре вспышки. Gritsyk P.A., Somov B.V. Electron acceleration in collapsing magnetic traps during the solar flare on July 19, 2012: observations and models // Proceedings of the International Astronomical Union, vol. 335, р. 90 (2018) 3) Топологическая модель анемонных микровспышек в солнечной хромосфере. Хромосферные анемонные микровспышки, обнаруженные спутником Hinode около десятилетия назад, являются специфическими транзиентными явлениями, начинающимися с возникновения нескольких светящихся лент на поверхности хромосферы и завершающимися их эрупцией вверх. В то время как эруптивная стадия анемонных микровспышек уже изучена к настоящему времени достаточно подробно, количественная теория формирования их начальной структуры с несколькими лентами в основании до сих пор не разработана. Нами построена достаточно простая, но общая модель источников магнитного поля, которая способна воспроизводить все наблюдаемые разновидности светящихся лент при изменении всего одного свободного параметра. В качестве рабочего инструмента использована модель магнитного поля Горбачева-Кельнера-Сомова-Шварца (GKSS), первоначально предложенная около тридцати лет назад для объяснения быстрого инициирования магнитного пересоединения на значительных пространственных масштабах при очень малых вариациях магнитных источников. Именно эта модель оказалась эффективной также для описания многоленточной структуры в анемонных вспышках. Как вытекает из результатов нашего численного моделирования, смещение одного из магнитных источников (солнечного пятна) относительно трех других приводит к трансформации трехленточной структуры к четырехленточной, а затем обратно к трехленточной, но с совершенно иной пространственной конфигурацией. Соответствующие структуры весьма близки к наблюдаемым картинам свечения в анемонных микровспышках. Dumin Yu.V., Somov B.V. Topological model of the anemone microflares in the solar chromosphere. arXiv:1811.06214v1 [astro-ph.SR] (2018), на рассмотрении в Astronomy & Astrophysics. 4) О распределении ярких петель во вспышечных аркадах на Солнце. Спутниковые наблюдения Солнца в далеком ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах демонстрируют образование корональных аркад ярких петель во многих солнечных вспышках. Яркость петель неравномерно распределена вдоль вспышечной аркады, что говорит о пространственно неоднородном энерговыделении в процессе вспышки. В попытке понять физическую природу этого явления, мы решили в приближении диссипативной МГД линейную задачу устойчивости малых возмущений в однородной плазме без на начального магнитного поля с космическим обилием элементов. В заданных условиях изучена тепловая неустойчивость плазмы при наличии джоулева нагрева, теплопроводности и оптически тонкого лучистого охлаждения. Неустойчивость возникает при подавлении плазменной тепло- и электропроводности возмущением магнитного поля в среде. На линейной фазе неустойчивость нарастает за зарактерное время лучистого охлаждения плазмы. Предложенный механизм тепловой неустойчивости полезен для интерпретации пространственного распределения отдельных ярких корональных петель в солнечных вспышках. Результат готовится к печати, ведется анализ спутниковых наблюдений корональных вспышечных аркад. Исполнитель: Леденцов Л.С.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".