НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

БОРИСЕНКО Сергій Анатолійович

УДК 523.64-355

ШВИДКІ ВАРІАЦІЇ СПЕКТРУ КОМЕТИ ГАЛЛЕЯ

01.03.03 - геліофізика і фізика Сонячної системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Головній астрономічній обсерваторії Національної академії наук України,

м. Київ.

Науковий керівник

доктор фізико-математичних наук

Шульман Леонід Маркович,

Головна астрономічна обсерваторія НАН України,

головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук

Кручиненко Віталій Григорович,

Астрономічна обсерваторія Київського національного університету

ім. Т.Г. Шевченка, м.Київ;

провідний науковий співробітник;

кандидат фізико-математичних наук

Клещонок Валерій Володимирович,

Академія муніципального управління, м. Київ;

доцент

Провідна установа:

Астрономічна обсерваторія Харківського національного університету

ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України,

м. Харків

Захист відбудеться 26 квітня 2002 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України за адресою: ГАО НАН України, вул. Акад. Заболотного, 27 , Київ, МСП, 03680. Початок засідань о 10-й годині.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Головної астрономічної обсерваторії НАН України за адресою: ГАО НАН України, вул. Акад. Заболотного, 27, Київ, МСП, 03680.

Автореферат розісланий 25.04. 2002 р.

Вчений секретар Спеціалізованої ради

кандидат фізико-математичних наук Васильєва І.Е.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Як реліктові залишки космогонічного процесу, в якому створилися всі тіла Сонячної системи, комети завжди перебувають в полі зору астрофізиків. Про актуальність вивчення цих цікавих об'єктів свідчить, зокрема, те, що починаючи з комет Галлея та Джакобіні-Циннера до комет відправляються спеціальні космічні апарати з метою дослідження кометних ядер. Так, нещодавно, зображення ядра комети передав на землю КА, що виконував місію Millenium DS-1 (комета Бореллі). Космічні експерименти коштують дуже дорого, тому зібрана за допомогою КА інформація стосується небагатьох комет, до того ж вона отримується протягом відносно короткого проміжку часу, коли КА зближується з кометою. Саме тому не втратили свого значення дослідження комет на телескопах наземного базування. Наземні спостереження дають можливість дослідження всіх, без винятку, комет протягом значної ділянки їх орбіт, де комета спостерігається із Землі. Саме з цієї причини організовуються масштабні кооперативні міжнародні програми для вивчення комет: програма IHW та її частина СОПРОГ, програма досліджень SL9.

Під час останнього наближення комети Галлея (1985 рік) на 6-метровому, тоді найбільшому у світі, телескопі Г.К. Назарчук, працюючи за програмою IHW-СОПРОГ, отримала унікальний матеріал, що не має аналогів у світі – послідовності спектрів комети через кожні 5 хвилин. Так виникла можливість дослідження швидких варіацій інтенсивності спектральних ліній. Варіації інтенсивностей ліній, якщо вони є, дають змогу перевірити ступінь хімічної однорідності ядра, а також з'ясувати механізм сонячно-кометних зв'язків та явищ, що виникають у кометній речовині під дією сонячного випромінювання. Отримані дані поглиблюють наше уявлення про фізичну природу комет, структуру та хімічний склад їхніх ядер.

Отримані результати будуть корисними не лише при дослідженні комети Галлея в наступному її поверненні до Сонця в 2060 році, але і при спостереженнях інших комет на наземних телескопах та з космічних апаратів. Описану в роботі методику можна застосовувати для аналізу результатів динамічної спектроскопії будь-яких достатньо яскравих комет та інших небесних тіл.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Подана до захисту дисертаційна робота виконана в лабораторії фізики та астрономії низькотемпературних астрономічних об'єктів (ФАНАО) Головної астрономічної обсерваторії НАН України. В основі даної роботи лежать дослідження, що проводились співробітниками ГАО НАНУ разом з російськими колегами в рамках міжнародної програми дослідження комети Галлея (СОПРОГ) під час її останнього повернення до перигелію в 1985-1986 роках. Робота була підготовлена у відповідністю з відомчою темою № 1.4.6/7-182В "Дослідження фізичних процесів у кометах з використанням спектроскопії та аналізу зображень".

Мета і задачі дослідження. Головною метою дослідження є виявлення швидких змін інтенсивностей спектральних ліній у спектрі комети Галлея та їх аналіз для перевірки ступеня хімічної однорідності ядра цієї комети, а також з'ясування можливих причин спектральних варіацій. З цією метою виконано обробку та аналіз результатів спектроскопічних спостережень комети Галлея, проведених у листопаді-грудні 1985 року в рамках міжнародної програми СОПРОГ, тобто, таку послідовність задач:

1. Проведено первинну обробку та редукції спектрограм, ототожнено емісії.

2. Виявлено та досліджено варіації основних спектральних смуг шляхом кореляційного та Фур'є-аналізу.

3. Шляхом аналізу ситуації в сонячній фотосфері та міжпланетному просторі зроблено спробу дослідити можливі причини виникнення швидких спектральних варіацій.

4. Виконано аналіз даних спектроскопії комети Галлея з борту космічного апарату ВЕГА-2 для порівняння результатів наземних та космічних спостережень та перевірки наявності швидких варіацій.

5. Отримано модельні характеристики атмосфери комети Галлея.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі було вперше виконано аналіз динамічних спектрів комети. Виявлено два типи швидких варіацій інтенсивностей кометних спектральних ліній: з короткими та (відносно) довгими квазіперіодами варіацій. Показано, що на характер варіацій суттєвим чином впливають потоки високоенергетичних сонячних протонів. Розроблено алгоритм обробки нестаціонарних локально-пуассонівських часових рядів, отримання параметрів яких, по суті, є метою динамічних спектральних спостережень будь-яких небесних тіл. Розроблена нова методика енергетичної калібровки спектрограм, зареєстрованих у відносних одиницях, за допомогою синтезованих фотометричних відліків і результатів абсолютної фотометрії. Методику застосовано для отримання модельних параметрів атмосфери комети Галлея, зокрема, газопродуктивностей основних молекул: CN, CH, NH2, C2 та C3, а також оцінки їх кількості в кометній атмосфері.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення роботи полягає в тому, що вперше кількісно досліджено швидкоплинні явища в атмосфері комети Галлея. Так само вперше доведено макроскопічну однорідність кометного ядра, що треба враховувати в космогонічних сценаріях походження Сонячної системи. Сформульовано гіпотезу про механізм впливу проявів сонячної активності на кометні атмосфери. Деякі методичні результати можуть бути використані у подальших дослідженнях, де аналізуються нееквідистантні агреговані відліки локально-пуассонівських випадкових процесів.

Особистий внесок здобувача. З 3-х робіт, де опубліковані основні результати роботи, одна робота виконана пошукачем самостійно. В роботі, що присвячена загальному опису спостережень та дослідженню автокореляцій в спектральних лініях комети Галлея, автору належать розрахунки автокореляційних функцій та Фур'є-спектрів монохроматичних часових рядів для головних емісій за допомогою власноручно створених програм. В роботі, присвяченій дослідженню зв'язку між варіаціями спектру та сонячною активністю, дисертант виконав розрахунок коефіцієнтів взаємних кореляцій між кривими інтенсивності спектральних ліній як функцій часу за власними комп'ютерними програмами. Дисертанту належить аналіз впливу високоенергетичних сонячних протонів на поведінку швидких варіацій інтенсивності. Під час роботи над дисертацією автором було опрацьовано близько 500 спектрів, отриманих Г.К.Назарчук та Л.М.Шульманом у співробітництві з астрофізиками САО в листопаді-грудні 1985 року на 6-м телескопі САО (Росія).

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, які подані в дисертації, обговорювались на астрофізичних семінарах "Фізика тіл Сонячної Системи" в ГАО НАН України; міжнародній конференції "САММАС-99" (1999р., м.Вінниця); конференції "UKRASTRO-2000" (2000 р., м.Київ); Четвертих Всехсвятських Читаннях (2000р., м.Київ); на міжнародних конференціях з астрономії та фізики космосу для молодих вчених YSC6 (1999р., м.Київ); YSC7, (2000 р., м. Київ); YSC8 (2001р., м.Київ); Всеросійській астрономічній конференції (м. Ленінград, 2001 р.)

Автором було отримано грант ESA (European Space Agency) для представлення доповіді за матеріалами дисертації на IAU Colloquium No. 186: Cometary Science after Hale-Bopp, 21 – 25 January 2002, Canary Islands, Puerto de La Cruz, Spain.

Публікації. Результати викладені в дисертації, опубліковані упродовж 1999 - 2001 рр: статті в рецензованих журналах – 3, матеріали та тези конференцій – 6.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 8 розділів, висновків, додатку та списку літератури з 104 найменувань, складає 118 сторінок тексту, вміщує 28 рисунків та 12 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дається загальна характеристика роботи, обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, приведено відомості відносно апробації роботи, публікацій та структури дисертації.

В першому розділі дисертації приведено опис комети Галлея, її фізичні характеристики та параметри орбіти, що були визначені зусиллями багатьох спеціалістів з різних країн світу. Подано короткий огляд досліджень комети Галлея в рамках міжнародних програм IHW та СОПРОГ. Дається огляд результатів досліджень комети за допомогою автоматичних космічних апаратів, зокрема, розглянуто елементний склад CHON-пилу, молекулярних та атомних іонів в кометній атмосфері.

В другому розділі розглядаються фізичні та математичні аспекти динамічних спектральних спостережень комет. Приведено міркування відносно доцільності використання динамічної спектроскопії в кометних дослідженнях. Показано, що такі спостереження дають змогу не лише досліджувати особливості внутрішньої будови ядра та хімічного розподілу речовини в кометних атмосферах, але й перевірити чи доповнити існуючі космогонічні теорії утворення комет та Сонячної системи.

Особлива увага звертається на необхідність проведення спеціальної математичної обробки результатів динамічної спектроскопії. Специфіка динамічних спектрів, що аналізувалися в дисертації, полягає в тому, що кожний ряд спостережень являв собою послідовність експозицій, протягом яких підраховувалася кількість фотоелектронів, зареєстрованих у кожному з 1024 спектральних та двох просторових каналах. Оскільки управління процесом спектроскопії здійснювалося вручну, тривалість експозицій варіювалася навколо середнього значення 300 с, центральні моменти експозицій з цієї ж причини не були еквідистантними. На відміну від типової ситуації в зоряній фотометрії, коли фотометричний відлік накопичується за час, значно менший за проміжок між експозиціями, ми мали справу з протилежним випадком – проміжки між експозиціями значно коротші за самі експозиції. Через це виникла потреба розробки спеціальних алгоритмів обробки. Таким чином для обробки та аналізу результатів динамічних спостережень було використано класичні методи кореляційного та спектрального аналізу [2, 3, 7] з доповненнями, що враховують особливості подібних спостережень [10, 13].

Третій розділ повністю присвячено опису та аналізу спостережувального матеріалу, що склав основу цієї дисертації. Цей матеріал – більш як 500 спектрів комети Галлея, що були отримані співробітниками ГАО НАН України Г.К. Назарчук та Л.М. Шульманом в листопаді-грудні 1985 року за допомогою ТВ-сканера, встановленого у фокусі Несміта 6-метрового телескопа БТА Спеціальної астрофізичної обсерваторії (Росія) з участю співробітників цієї обсерваторії. ТВ-сканер протягом однієї експозиції записував два спектри від ділянок неба, рознесених на 40І. Це дозволяло одночасно отримувати спектрограми або навколоядерної області та коми на віддалі 40І від ядра, або двох ділянок коми на віддалях ±20І від ядра, або на віддалях 4І та 36І від ядра. Результати записувались в електронному вигляді як бінарні файли. Висока роздільна здатність телескопа дала можливість досліджувати навколоядерну область кометної атмосфери (до 2000 км.). Чутливість сканера забезпечила досить високе відношення сигнал-шум, тим самим забезпечивши низьку похибку спостережень. Як видно з рис.1. варіації інтенсивності не спричинені похибками. Було обчислено та побудовано авто- та взаємно кореляційні функції варіацій інтенсивності основних кометних ліній – CN, CH, C2, C3, NH2. Також проведено аналіз Фур'є відповідних залежностей та визначено квазіперіоди швидких варіацій.

Рис.1. Варіації інтенсивності лінії С2 468.35 нм.

Квазіперіоди швидких варіацій лежать в межах від 15-40 хвилин до 2 годин і не можуть бути пояснені власним обертанням ядра комети, значення якого, за різними даними, становить 7.4 або 2.2 доби.

Четвертий розділ дисертації присвячений дослідженню особливостей спектрів комети Галлея та вивченню поведінки окремих спектральних ліній. Описано основні молекулярні смуги, що спостерігались в кометних спектрах та їх основні властивості. Приведено дані по розподілу інтенсивності в кометних молекулярних смугах, зокрема, в смузі С2. Вказано на залежність коефіцієнта взаємної кореляції між лініями від типу електронного переходу досліджуваних ліній.

Загалом не було виявлено особливої поведінки окремих ліній. Слід лише вказати на досить низькі кореляції між лініями, що належать різним і далеким квантовим переходам (наприклад, між 0-0 і 4-4 і т.п.).

В п'ятому розділі подано алгоритм обчислення взаємно кореляційних функцій та коефіцієнтів взаємної кореляції на основі розгляду часових рядів спостережень як локально-стаціонарних пуассонівських рядів. Дослідження тут проводяться з урахуванням проміжків між експозиціями в рамках кожної серії. Для цього використовувалась згортка по прямокутниках одиничної інтенсивності з довжиною, що рівна тривалості окремої експозиції (рис. 2). Почергове перемноження таких прямокутників шляхом зсуву дає набір трапецій, згладжування яких дає вигляд взаємно кореляційної функції. Використання спектрального аналізу дало змогу виявити, що в окремі дні кореляції між лініями близькі до 1, а в інші близькі до 0 (особливо в комі) і швидше нагадують білий шум.

Рис.2. Трапецієподібна функція як згортка двох прямокутників.

В шостому розділі проведено аналіз спектрів отриманих за допомогою АКА "Вега-2" в березні 1986 року, через місяць після проходження кометою перигелію. Тут також обчислено авто- та взаємно кореляційні функції для основних кометних спектральних смуг та проведено аналіз Фур'є з метою порівняння квазіперіодів варіацій з наземними спостереженнями.

АКА "Вега-2" проводив динамічну спектроскопію комети Галлея 9 березня 1986 року. Протягом 40 хвилин отримувались спектрограми з експозиціями 60-90 секунд. Було підтверджено наявність швидких варіацій інтенсивності в окремих спектральних лініях та отримано значення їх квазіперіодів, що становлять близько 10 - 15 хвилин.

Проведено також аналіз наземних спостережень отриманих з фільтром В, що були надані М.С.Дементьєвим. Незважаючи на значне замивання варіацій, через досить великі розміри досліджуваної області кометної атмосфери, були отримані значення варіацій близько 24 хвилин.

В сьомому розділі досліджено можливий вплив потоків сонячних протонів з енергіями 1-4 МеВ на поведінку швидких варіацій інтенсивності спектральних ліній (рис. 3). Варіації інтенсивності, що виникають за кілька десятків годин після протонних спалахів мають доволі синхронну поведінку з високим коефіцієнтом взаємної кореляції та значною амплітудою. В спокійні дні варіації швидше нагадують білий шум з досить низьким коефіцієнтом кореляції (рис. 5, 6).

Ясно, що коли б варіації інтенсивностей спектральних ліній викликали електрони сонячного вітру, то мало б місце запізнення відгуку кометної атмосфери на події на Сонці згідно з секторною структурою міжпланетного магнітного поля. Оскільки в даному випадку це не спостерігалося, залишається припустити, що на кометну атмоферу діяли протони високих енергій. Такий зв'язок виявлено, але енергія сонячних протонів занадто велика, щоб викликати збудження молекул. Як можливий механізм для пояснення впливу протонних потоків пропонується механізм вторинної електронної емісії з пилу, що присутній в атмосфері комети з наступним збудженням газових молекул електронним ударом, що приводить до різкого і тривалого підвищення інтенсивності спектральних ліній.

Короткоперіодичні низьькоамплітудні варіації тривалістю 15 - 40 хвилин можна пояснити квазіперіодичним явищем піднімання та опускання кометної речовини в процесі сублімації, тоді як високоамплітудні тривалі зміни (більше 1 год) інтенсивності в лініях можуть бути викликані зовнішнім впливом (високоенергетичні потоки сонячних протонів).

Рис.3. Добові потоки сонячних протонів з енергіями від 1 до 10 і більше МеВ (а) за даними апарата IMP та добові числа сонячних плям (б) .

Восьмий розділ дисертаційної роботи присвячений методу розрахунку окремих модельних параметрів кометної атмосфери, зокрема, темпів газоутворення та кількості молекул основних радикалів шляхом калібровки спектрів за результатами фотометрії, що наведена в електронному архіві IHW.

Спостережуваний спектр комети є сумою емісій (резонансно розсіяного молекулами та радикалами сонячного випромінювання) континуума, який утворено розсіянням сонячного світла твердими частинками (пилом). Г.К. Назарчук та Л.М. Шульман [14] встановили існування в спектрі комети Галлея ще однієї складової, а саме – фотолюмінесцентного континууму Slum (л), який утворюється шляхом поглинання сонячних квантів з подальшим висвітленням в інших ділянках спектру. Таким чином спектр комети описується співвідношенням:

(1)

де

(2)

є спектр люмінесценції. Тут

Щ – т?лесний кут, під яким видно Сонце з комети,

a – радіус порошинки,

F(a) – функція розподілу порошинок по радіусах,

slum(l) – переріз поглинання кванта для люмінесценції,

w - імовірність того, що після поглинання кванта з довжиною хвилі л' випромінюється квант з довжиною хвилі л.

Звідси оптична товщина кометної атмосфери

. (3)

Крім спектрів, де люмінесцентний континуум було виявлено вперше, Г.К.Назарчук та Л.М.Шульманом проведено пошук люмінесцентного континууму у всіх інших спектрах. Підтвердився висновок, що люмінесцентний континуум спостерігається на невеликих кутових відстанях від кометного ядра (для комети Галлея не більше 40"), а тому не спостерігається на спектрах, отриманих з недостатнім просторовим розділенням. Також проаналізовано просторовий та частотний розподіл люмінесцентного континууму (рис.4).

Рис. 4. Розподіл люмінесцентного континууму для: а)навколоядерної області (0"- 4" від ядра) та

б) коми (36" - 40" від ядра) за даними спостережень в листопаді-грудні 1985 року

Рис.5. Взаємно кореляційні функції та спек- Рис.6. Взаємно кореляційні функції та спек-

тральні густини досліджуваних ліній С2 для тральні густини досліджуваних ліній С2 для

високоамплітудних варіацій: низькоамплітудних варіацій:

а) для ядра; б) для коми; в) між ядром і комою а) для ядра; б)для коми; в) між ядром і комою

Обчислення люмінесцентного континууму в спостережуваних кометних спектрах – складна операція, яку майже неможливо алгоритмізувати. Для визначення однієї точки в люмінесцентному континуумі використовуються фраунгоферові лінії сонячного спектра. Кожна з абсорбційних ліній сонячного спектра відбивається в спектрі комети. Завдяки люмінесценції глибина сонячних фраунгоферових ліній у кометному континуумі виявляється меншою, ніж у спектрі Сонця. Для визначення рівня люмінесцентного континууму треба шляхом спроб і помилок знайти такий рівень, щоб у функції, яка визначена співвідношенням (3) не було ані абсорбційних фраунгоферових ліній (коли взято завелике значення Slum (л)), ані фальшивих емісій на місці фраунгоферових ліній (коли значення Slum (л) замале). Ця процедура значно ускладнена тим, що на фраунгоферові лінії накладаються численні кометні емісії, які важко врахувати.

Досліджувані спектри виміряні у відносних одиницях, тобто вони відтворюють хід спектральної інтенсивності з довжиною хвилі, але не прокалібровані в абсолютних енергетичних одиницях через те, що не відомо, яка частина еталонної зірки проектувалась на вхідну діафрагму сканера. У восьмому розділі виконана енергетична калібровка спектрограм шляхом використання даних абсолютної фотометрії комети Галлея, які містяться у архіві IHW. Для калібровки з даних відносної спектроскопії чисельним інтегруванням в рамках простішої кометної моделі (моделі Хазера) синтезувався фотометричний відлік. Порівняння синтетичного фотометричного відліку зі справжнім дало можливість визначити коефіцієнти переходу від відносних до абсолютних енергетичних одиниць і оцінити газопродуктивності батьківських молекул основних радикалів.

У висновках приведено основні результати дисертаційної роботи та дано оцінку їх наукової цінності.

Кожний розділ дисертації має попередню вступну частину та висновки. В кінці дисертації подано Додатки з описом основних кометних спектральних ліній, що були ототожнені в більш як 500 спектрах комети Галлея.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено алгоритми спектрального та кореляційного аналізу, що враховують специфіку спостережуваного матеріалу (змінність експозицій та наявність проміжків між ними). Кореляційний та спектральний аналіз показав, що ядро комети було макроскопічно однорідним. Цей висновок підтверджений також аналізом спектрів, отриманих за допомогою КА "Вега-2".

2. Вивчення розташування активних утворень на Сонці у періоди спостережень дозволило зробити висновок, що найсильніші варіації спектрів відбувалися тоді, коли комета проектувалася на активну область атмосфери Сонця і, навпаки, коли комета проектувалася на спокійну фотосферу, помітні варіації були практично відсутні. Також виявлено зв'язок між спектральними варіаціями і потоками сонячних протонів з енергіями 1 - 4 МеВ. Оскільки така енергія занадто велика для збудження молекул, то висувається гіпотеза, що збудження відбувалось за рахунок вторинних процесів взаємодії сонячних протонів з пиловою компонентою кометної атмосфери.

3. Досліджено просторовий та частотний розподіл люмінесцентного континууму в кометних спектрах, а також підтверджено його наявність в спектрах комети Галлея. Лише подібні спостереження з високою роздільною здатністю дають змогу реєструвати та досліджувати таке явище.

4. Розроблено метод енергетичної калібровки спектрограм у відносних одиницях шляхом комп'ютерного синтезу фотометричних відліків і порівняння цих відліків з результатами абсолютної фотометрії комети Галлея, які є в архіві IHW.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Андриенко Д.А., Ващенко В.Н. Кометы и корпускулярное излучение Солнца. - М.:Наука, 1981.-164 с.

2. Бендат Дж, Пирсол А. Измерение и анализ случайных процесов: Пер. с англ. - М.:Мир, 1971. - 408 с.

3. Бендат Дж, Пирсол А.Применения корреляционного и спектрального анализа: Пер. с англ. - М.:Мир, 1983. - 312 с.

4. Гаскаров Д. В., Шаповалов В. И. Малая выборка.-М.:Статистика, 1978.-248 с.

5. Добровольский О.В. Кометы. – М.:Наука, 1966. - 288 с.

6. Краснопольский В.А. Физика свечения атмосфер планет и комет. - М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит., 1987.-304 с.

7. Марпл, мл. C.Л. Цифровой спектральный анализ и его применения:Пер. с англ.-М.:Мир, 1990.-584 с.

8. Назарчук Г.К. Проверка гипотезы о люминисцирующих пылинках в атмосфере кометы Галлея // Кометный цыркуляр,- №377, с.2-4

9. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. Основные методы. – М.:Мир, 1982.–428 с.

10. Теребиж В.Ю. Анализ временных рядов в астрофизике.- М.:Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит., 1992.- 392 с.

11. Шульман Л.М. Динамика кометных атмосфер.Нейтральный газ. - К.:Наукова думка, 1972.-244 с.

12. Шульман Л.М. Ядра комет. - M.:Наука. - 1987. -230 c.

13. Deeming T.J. Fourier Analysis with Unequally-Spaced Data // Astrophysics And Space Science. - 1975. - Vol.36, №1. - p.137-158.

14. Nazarchuk H.K. Luminescent grains in the atmosphere of comet Halley // Abstr. Int. Conf. Asteroids, Comets, Meteors, Flagstaff, Ariz.-Houston (Tex.),-1991.-P.158

15. Shulman L.M. CHON-particles as a possible spread source of molecules in the inner coma of comet Halley. Abstr. IAU Symp.160: Asteroids, Comets, Meteors // Comp. Lunar and Planet Inst., Torino, Houston.-1993.- P.272

16. Swings P., Haser L. Atlas of representative cometary spectra. - Publications of Univers. of Liege, Belgique. - 1956. - 37 p.

17. Valnicek B., Sudova J.,Starecky T, Vanysek V., Peresty R. Visual spectra of the Halley comet obtained by VEGA 2 // Publ. AICAS,- No.71, 1988. - 80 p.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Реферовані видання:

1. Борисенко С. А., Назарчук Г. К., Шульман Л.М. Варіації в окремих спектральних лініях комети Галлея та дослідження їхніх кореляцій // Кинем. и физика неб. тел. - 2000. - №1. - С. 32 - 39.

2. Борисенко С.А., Шульман Л.М. Сонячна активність в листопаді-грудні 1985 року та її вплив на швидкі варіації інтенсивності в спектральних лініях комети Галлея // Кинем. и физика неб. тел. - 2001.- №5. - с.389 - 402.

3. Borysenko S.A. Variations of lines selected in the comet Halley spectrum // Kinematics and Physics of Celestial Bodies, Suppl.Ser, 2000, №3, "Astronomy in Ukraine - 2000 and Beyond (Impact of International Cooperation)", Ed. Ya.S.Yatskiv.-p.256-258.

Тези конференцій:

1. Borysenko S.A. First results of dynamical spectroscopy of comet Halley. Abstracts YSC 6 Conference. - Kyiv (Ukraine). - 1999. - p.25.

2. Borysenko S.A. Some results of dynamical spectroscopy of comet Halley. Internat. Conference CAMMAC-99. Book of abstracts. Ed. by Prof. K.I. Churyumov. - Vinnytsia (Ukraine). - 1999. - p.8.

3. Борисенко С.А. Деякі результати динамічної спектроскопії комети Галлея. Int. Conf. Fourth Vsekhsvyatsky Readings. Modern problems of physics and dynamics of the Solar System. - Kyiv (Ukraine). - 2000. - p.13.

4. Borysenko S.A. Crosscorrelations of lines in spectrum of comet Halley. Abstracts YSC 7 Conference.-Kyiv (Ukraine). - 2000. - p.20.

5. Borysenko S.A. Solar Proton fluxes and variations of some spectral lines of comet Halley.Abstracts YSC 8 Conference. - Kyiv (Ukraine). - 2000. - p.25.

6 6. Борисенко С.А., Шульман Л.М. Применение методов динамической спектроскопии в

7 исследованиях комет. Труды Всероссийской астрономической конференции. - Санкт-

8 Петербург (Россия). - 2001. - с.43.

АНОТАЦІЯ

Борисенко С.А. Швидкі варіації спектру комети Галлея. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.03 – геліофізика і фізика Сонячної системи. – Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, 2001.

В роботі проведено повний аналіз швидких варіацій інтенсивностей основних кометних спектральних ліній на основі більш як 500 спектрів. Проведено повну обробку спектрів та досліджено варіації в лініях шляхом застосування кореляційного аналізу та аналізу Фур'є. Як показують результати, швидкі варіації інтенсивності знаходяться в діапазоні від 15-20 хв до 1.5-2 год, а за даними АКА "Вега-2", що проводив спостереження з більшим часовим розділенням виявлено варіації близько 5-10 хвилин. За поведінкою варіацій можна розрізнити спокійний та збурений стани кометної активності. Спокійний стан кометної активності характерний короткочасними варіаціями з малою амплітудою і досить низьким коефіцієнтом взаємної кореляції K = 0.1-0.4, збурений – довготривалими та високоамплітудними варіаціями з високим коефіцієнтом взаємної кореляції K = 0.6-0.95.

Проведено роботу по врахуванню та дослідженню кометного люмінесцентного континууму з метою отримання окремих модельних характеристик кометної атмосфери, таких як газопродуктивність та кількість молекул основних радикалів.

Ключові слова: динамічна спектроскопія, спектральні лінії, швидкі варіації інтенсивності, коефіцієнт кореляції, потоки сонячних протонів, темпи газоутворення, люмінесцентний континуум.

АННОТАЦИЯ

Борисенко С.А. Быстрые вариации спектра кометы Галлея. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.03 – гелиофизика и физика Солнечной системы. – Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, 2001.

В работе проведен полный анализ быстрых вариаций интенсивностей основных кометных спектральных линий на основании более чем 500 спектров. Проведена полная обработка спектров и исследованы вариации в линиях путем использования корреляционного анализа и анализа Фурье. Как показывают результаты, быстрые вариации интенсивности находятся в пределах от 15-20 мин до 1.5-2 часов, а по данным АКА "Вега-2", который проводил наблюдения с большим временным разрешением обнаружены вариации около 5-10 мин. По поведению вариаций можна выделить спокойное и возбужденное состояние кометной активности. Спокойное состояние кометной активности характеризуется кратковременными вариациями с малой амплитудой и довольно низким коефициентом взаимной корреляции K = 0.1-0.4, возбужденное – длительными и высокоамплитудными вариациями с высоким коефициентом взаимной корреляции K = 0.6-0.95.

Проведена работа по учету и исследованию кометного люминесцентного континуума с целью получения отдельных модельных характеристик кометной атмосферы, таких как газопродуктивность и количество молекул основных радикалов.

Ключевые слова: динамическая спектроскопия, спектральные линии, быстрые вариации интенсивности, коэфициент корреляции, потоки солнечных протонов, скорости газообразования, люминесцентный континуум.

ABSTRACT

Borysenko S.A. Fast variations in spectrum of comet Halley. – Manuscript.

Thesis for PhD degree by the speciality 01.03.03 – heliophysics and physics of the Solar system. – The Main astronomical observatory of the National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2001

The goal of this work is to research fast variations of the spectral lines intensities in spectra of comet Halley and to analyse these phenomena. The present investigation has been made on the basis of more then 500 high-resolution spectrogram obtained by H.K.Nazarchuk (with participation of L.M.Shulman and SAO astronomers) in November-December of 1985 at the 6-m telescope (SAO, Russia). Observational data from IHW archive CD-ROMs and the "Vega-2" results were used too.

The TV-scanner, which is mounted at the Nasmyth's focus of the 6-meter telescope, was used as the spectral device. Originally the spectrograph has a long (> 40 arcsec) slit. The slit was covered by a special mask, which cut from the slit two rectangular diaphragms. The height of each was equal to 4 arcsec. So, there were two space channels separated by 40 arcsec. There were 1024 spectral channels in each of the space one. During an exposition the TV-scanner counted the number of one-electron events in each of 2048 channels giving two one-dimension digitized spectra of two different point of the comet atmosphere. The total extension of a spectrum on the inlet window was about 900 - 980 Е, so the width of a spectral channel was about 0.9 Е and, therefore, four expositions were necessary to cover the whole spectral region restricted by the spectral sensitivity of the input photocathode: 3320 - 6600 Е.

The effect of nonhomogeneity of the photocathode of the image intensifier was eliminated by the flat-field correction. The Feige 15 and Feige 34 stars were chosen as the reference stars for spectral calibration. The processing removed both the effect of geomagnetic field on the image intensifier and the atmospheric extenction.

After the dispersion curve was obtained with the record of the neon spectrum, all the comet spectra were linearized, i.e. reduced to a uniform grid of wavelength. The reference stars were reduced in the same manner. On the next step the comet spectra were reduced to relative intensities by dividing them to the observed reference star spectrum and multiplying the result by the published distribution of energy in the stellar spectrum. In spite of this distribution is known in absolute energetic units it was impossible to get the absolute energetic spectra of the comet because the part of a reference star image, which penetrated in the diaphragm of the spectrograph was out control.

Some fast variations with different quasiperiods were detected in all the spectrograms. Quasiperiods of these variations were from 15 - 40 min to 1.5 - 2 hours. As the data from the "Vega-2" spacecraft show, more fast variations with quasiperiods 5 - 10 min are obviously present. Only the most important lines so as C2, C3, CN, CH and NH2 were analyzed. False periods were checked by comparison of the power spectra of the variations with the computed spectral window of the data. Only false periods about 400 sec (the average exposition) were detected.

An algorithm for analysis of locally Poisson's time series with gaps was proposed and used. Average cross-correlation coefficients are calculated. Two types of fast variations are detected:

1) high amplitude variations with more long quasiperiods (1.5 - 2 hours) and the coefficient of crosscorrelations between line intensities about 0.9 - 0.95;

2) low amplitude variations with short periods (15 - 40 min), which look like white noise and have the coefficient of crosscorrelations about 0.1 - 0.3.

This difference may be caused by the nature of the variations. The first type variations may be an effect of both active processes in cometary nucleus and the solar proton streams. Analysis of solar proton flux variation with energies >1 MeV in November - December 1985 (by spacecraft IMP 8 results) confirms the above-mentioned version. Solar activity was very low in that time. Number of spots (Wolf's number) is rather general index, which cannot explain thin details. Projection of the cometary location onto the Sun's surface showed a good agreement with locations of active regions and coronal transients. We proposed mechanism of secondary emissions of electrons and quanta from cometary dust, which depends on the solar hard radiation. Thus it may be one of the reasons of high amplitude variations. In the second case it may be only inner processes in the nucleus that generate the observed variations.

For determination of general parameters of cometary atmosphere, such as the production rates of radicals C2, C3, CN, CH, and NH2 it was necessary to estimate the contribution of dust luminescence into the continuum of the comet. We supposed, that this part of a cometary continuum is luminocity of cometary CHON particles exited by solar ultraviolet radiation.Space and wavelength distribution of the luminescent continuum was calculated. A simple model of a comet atmosphere (the Haser's model) was taken to make synthetic photometrical data and to calibrate the spectra by comparison the synthetic photometry with the data of the absolute photometry from the IHW archive. This way the gas production rates and numbers of basic molecules in the cometary atmosphere were obtained.

Key words: Comet Halley, dynamical spectroscopy of comets, fast variations of intensity, correlation coefficient, solar proton flux, gas production rates, luminescent continuum.