Проект  «XUV спектроскопия Солнца»

No 4.2. перечня совместных российско-польских проектов в области фундаментальных космических исследований.

Координаторы проекта:

Сергей Вадимович Кузин Физический Институт им. П.Н. Лебедева РАН
Януш Сильвестр, Центр Космических исследований ПАН.

Важнейшие результаты

В 2009 году проводился эксперимент эксперименте ТЕСИС/КОРОНАС-Фотон по комплексному исследованию солнечной короны. Исследования в спектральном диапазоне диапазоне  0.8-10 Å проводились с помощью блока SphinX, разработанного совместно  Центром Космических Исследований Польской Академии Наук и ФИАН. Прибор оснащен 3-мя датчиками на pin-диодах, имеющих разную эффективную площадь от 20 мм² до 0.08 мм², что позволяет   регистрировать изменение интенсивности в диапазоне более 7 порядков.
Важным результатом наблюдений аппаратуры SphinX явились данные о рентгеновской активности Солнца в период глубокого минимума солнечной активности. Уровень интегрального потока рентгеновского излучения  был чрезвычайно низок, особенно в феврале, марте и августе 2009 года: поток на орбите Земли составлял 5´10^-10 Вт/м² . Таким образом, минимум 24 цикла активности может считаться самым глубоким из последних 4-х, с начала космических исследований Солнца. По полученным данным, средняя интенсивность рентгеновского излучения Солнца в этот период составляет 1.3´10¹⁸ Вт. Сравнивая полученный результат с данными рентгеновской светимости звезд, полученных в ходе  эксперимента ROSAT, Солнце можно определить как звезду с наиболее слабым рентгеновским излучением в сфере радиусом 23 световых года. Ее светимость в МР диапазоне примерно в 100 раз меньше, чем Альфа Центавра, которая считается «двойником» Солнца на основе схожести их оптических характеристик.


Возможности SphinX по спектральной диагностике позволили определить интегральные характеристики корональной плазмы в минимуме солнечной активности. Эти исследования были проведены на основе сравнения экспериментальных данных инструмента с расчетами, выполненными по базе данных CHANTI. Для диагностики были использованы данные 441 периода наблюдений 21 февраля 2009 года, когда уровень рентгеновского излучения составлял 4.7´10^-10 Вт/м². Сравнение экспериментально и расчетного спектров позволило оценить среднюю температуру короны в 1.8 МК и меру эмиссии в  4´10⁵³ м^-3. Эти данные были обработаны совместно с данными телескопа ТЕСИС в диапазоне 171Å, по которым объем солнечной короны был оценен как 3´10²⁵м³. Примерно такая же величина была получена по данным инструмента XRT/Hinode. Таким образом, плотность плазмы в короне в этот период была оценена в 10¹⁴ м^-3 (10⁸ см^-3), что соответствует значениям, рассчитанным по данным для невозмущенной короны, полученным ранее ВУФ спектрогелиометром СПИРИТ/КОРОНАС-Ф. Тепловая энергия, рассчитанная на основе этих данных, составляет 2´10²³ Дж, что также меньше «типичных» значений для минимума активности.

Анализ данных аппаратуры SphinX, полученных в периоды наименьшей солнечной активности, показал, что даже в такие периоды на Солнце происходит множество событий с временными профилями, подобными вспышечным. Такие события показаны на рис. 1, где приведен профиль вспышечной активности развивающейся активной области 11024, наблюдавшейся 3 июля 2009 года. Вспышечная активность началась в ~19:00 UT, в то время как по данным GOES 1-8 Å проявление активности началось лишь в ~22:00 UT, когда вспышка класса A6.0 предшествовала серии последовательных вспышек ~B1-B5. До ~22:00 UT уровень сигнала GOES был абсолютно ровный и находился на уровне пороговой чувствительности 3.7·10^-9 Вт/м². Толстые стрелки на рис. 2 указывают на три вспышечных события (в 19:18 UT, 19:39 UT и в 20:28 UT), максимум интенсивности которых находился под пороговым уровнем, поэтому эти события не наблюдались GOES.

Рис. 1. Начало вспышечной активности по измерениям детектора D1 аппаратуры SphinX 3 июля 2009 года. До 22:00 UT сигнал GOES был ровный  и находился на уровне пороговой чувствительности 3.7·10-9Вт/м2. Толстыми стрелками обозначены три вспышки, не зарегистрированные GOES, их мощность ниже пороговой чувствительности аппаратуры GOES.

Локализация этих событий на диске Солнца была возможна благодаря одновременным наблюдениям  с помощью спектрогелиометра MgXII (регистрировал плазму с температурой не менее 5 МК) и телескопа на спектральный диапазон 132 А, где находятся интенсивные линии ионов FeXX и FeXXIII с температурой более 12 млн. град (рис. 2). При этом ход интенсивности в линии MgXII хорошо корелировался с интегральной интенсивностью рентгеновского излучения, регистрируемого прибором SphinX.
Всего в ходе наблюдения было зарегистрировано более 100 событий нагрева плазмы до температур от 4 до 8 МК продолжительностью от 10 минут до нескольких часов. При этом общее время существования отдельных высокотемпературных источников излучения достигало до 10 суток. Особенностью, делающей эти наблюдения уникальными, является крайне низкая активность Солнца – за указанный период продолжительностью три месяца не было зарегистрировано ни одной вспышки рентгеновского класса C и выше. Кроме того, в ряде случае нагрев плазмы регистрировался при полном отсутствии на диске Солнца активных областей (рис. 3).
Эти события можно интерпретировать как микровспышки в нижней короне Солнца, происходящие, в отличие от больших вспышек, не в активных областях, а в микроструктурах короны, в частности в ярких точках. Тот факт, что микровспышки способны нагревать значительные объемы плазмы до температур выше 5 МК, установлен впервые.
Необходимо отметить, что ранее источники излучения с температурой 10 млн. град. и выше регистрировались на Солнце только в периоды высокой активности Солнца. Высокотемпературная плазма представляет значительный интерес для исследования так как является, с одной стороны, очень чувствительным маркером энергичных процессов в короне (плазма с температурой выше 5 МК не типична для короны и появляется только в областях наиболее интенсивного энерговыделения), а с другой стороны ставит ряд актуальных теоретических проблем – в частности о механизмах эффективного нагрева плазмы в условиях крайне низкой плотности (~ 10 ⁸ см ^–3).

Рис. 2.  Изображение горячей плазменной структуры в короне  в линиях MgXII (слева) и FeXX-XXII (справа), зарегистрированной 26 марта 2009 года.

Рис. 3. Пример события с импульсным нагревом плазмы в нижней короне Солнца. Слева – изображение в линии MgXII 8.42 A (T ~ 4 МК). Справа – корона Солнца в линии Fe 171 A (T ~ 1 МК). Период наблюдений – апрель 2009 года (минимум солнечной активности).

Перечень публикаций

1. J. Sylwester, M. Kowalinski, Sz. Gburek, M. Siarkowski, S. Kuzin et al.

   The Sun's X-ray emission during the recent solar minimum
   Eos, Transactions American Geophysical Union. 2010. V. 91, № 8. P. 73-74.

2. Sylwester, B.; Sylwester, J.; Siarkowski, M.; Engell, A. J.; Kuzin, S. V.

   Physical Characteristics of AR 11024 Plasma Based on SPHINX and XRT Data Central European Astrophysical Bulletin, p. 171-180, 2011

3. Gburek, S.; Siarkowski, M.; Kepa, A.; Sylwester, J.; Kowalinski, M.; Bakala, J.; Podgorski, P.; Kordylewski, Z.; Plocieniak, S.; Sylwester, B.; Trzebinski, W.; Kuzin, S.

   Soft X-ray variability over the present minimum of solar activity as observed by SphinX
   Solar System Research, Volume 45, Issue 2, pp.182-187, 2011

4. Gburek, S.; Sylwester, J.; Kowalinski, M.; Bakala, J.; Kordylewski, Z.; Podgorski, P.; Plocieniak, S.; Siarkowski, M.; Sylwester, B.; Trzebinski, W.; Kuzin, S. V.; Pertsov, A. A.; Kotov, Yu. D.; Farnik, F.; Reale, F.; Phillips, K. J. H.

   SphinX soft X-ray spectrophotometer: Science objectives, design and performance
   Solar System Research, Volume 45, Issue 3, pp.189-199, 2011

5.  SphinX Measurements of the 2009 Solar Minimum X-Ray Emission

   Sylwester, J.; Kowalinski, M.; Gburek, S.; Siarkowski, M.; Kuzin, S.; Farnik, F.; Reale, F.; Phillips, K. J. H.; Bakała, J.; Gryciuk, M.; Podgorski, P.; Sylwester, B.
   The Astrophysical Journal, Volume 751, Issue 2, article id. 111, 5 pp. 2012

6. SphinX: the Solar Photometer in X-rays

   Szymon Gburek, Janusz Sylwester, Miroslaw Kowalinski, Jaroslaw Bakala, Zbigniew Kordylewski, Piotr Podgorski, Stefan Plocieniak, Marek Siarkowski, Barbara Sylwester, Witold Trzebinski, Sergey V. Kuzin, Andrey A. Pertsov, Yurij D. Kotov, Frantisek Farnik, Fabio Reale, Kenneth J.H. Phillip
   Solar Physics, accepted