НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

МЕЛЬНИК ВАЛЕНТИН МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 523; 523.164;533.9

РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ТА ВИПРОМІНЮВАННЯ ПУЧКІВ ЕЛЕКТРОНІВ В КОСМІЧНІЙ ПЛАЗМІ

01.03.02- астрофізика, радіоастрономія

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора фізико-математичних наук

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Радіоастрономічному інституті НАН України

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, пофесор,

член-кореспондент НАН України

Фомін Петро Іванович,

інститут теоретичної фізики НАН України,

завідувач відділу

доктор фізико-математичних наук, професор,

Юхимук Адам Корнилович,

Головна астрономічна обсерваторія НАН України,

завідувач відділу фізики космічної плазми

доктор фізико-математичних наук

Черемних Олег Костянтинович,

інститут космічних досліджень НАН України

НКА України, завідувач відділу космічної плазми

Провідна установа: Кримська астрофізична обсерваторія,

с. Наукове, Кримська АР

Захист відбудеться “25” травня 2001 року на засіданні

спеціалізованої ради Д26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії

НАН України (03680, Київ – 127, Голоіїв, ГАО НАН України). Початок

засідань о 10 годині

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Головної астрономічної обсерваторії НАН України за адресою (03680, Київ – 127, Голоіїв, ГАО НАН України)

Автореферат розісланий “24” квітня 2001р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук Гусєва Н.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ

На протязі тривалого часу в астрофізиці інтенсивно вивчаються явища, що пов’язані з викидом частинок в оточуюче середовище. Це - і спалахи на Сонці, і радіовипромінювання пульсарів, і декаметрове S-випромінювання Юпітера. Вже невелика частка швидких частинок призводить до спостережуваного випромінювання, яке значно перевищує теплове. Для пояснення такого випромінювання, за звичай, використовують колективні механізми випромінювання, зокрема, плазмові, які базуються на тому, що в плазмі з тієї чи іншої причини має місце генерація плазмових хвиль, які в свою чергу в результаті нелінійних процесів трансформуються в випромінювання з великою яскравісною температурою. При цьому його інтенсивність визначається параметрами швидких частинок в плазмі, з якої випромінювання виходить. З розвитком спостережуваних можливостей - покращенням частотного, часового та кутового розділень, збільшенням чутливості телескопів в широкому діапазоні частот та потоків, виникає необхідність погоджувати різні властивості випромінювання. Для цього вже недостатньо вказати яким чином збуджуються плазмові хвилі та як вони потім перетворюються в поперечні - необхідні теорії, що враховують різні сторони явища. Так у випадку з випромінюванням швидких частинок виявляється, що плазмові хвилі, які ними генеруються, не тільки є джерелом випромінювання, але вони також впливають на рух самих електронів. Як результат характеристики радіовипромінювання будуть визначатись особливостями розповсюдження електронів. В зв’язку з цим для інтерпретації спостережуваних даних по випромінюванню, що обумовлене потоками швидких електронів, необхідні теорії їх розповсюдження в плазмі, в яких враховувався б зворотній вплив середовища на ці електрони.

Актуальність теми

Добре відомо, що пучки електронів , які розповсюджуються в плазмі, призводять до, так званої пучкової нестійкості, результатом якої є збудження ленгмюрівських хвиль. За час квазілінійної релаксації на функції розподілу електронів встановлюється плато і подальша генерація плазмових хвиль припиняється. Тому здавалось б і випромінювання, що супроводжує ці електрони, повинно було б спостерігатись на протязі цих малих проміжках часу. Тим не менше маються переконливі свідотства на користь випромінювання цих електронів на значно більших часових масштабах. Розвязок цього парадоксу (дилема Старока), повязаний з тим, що попередні міркування були справедливі для просторово однорідного потоку. Якщо він обмежений у просторі, то через постійне випередження швидкими електронами повільних відтворюється умова пучкової нестійкості, що забеспечує випромінювання на протязі тривалого часу. Побудова теорії розльоту обмежених потоків електронів в плазмі зустрічається із значними труднощами, що містяться як в нелінійності задачі, так і в тому, що необхідний розв’язок відповідних кінетичних рівнянь в частинних похідних. Разом з тим для астрофізичних умов має місце одна суттєва обставина, повязана з тим, що час квазілінійної релаксації (час взаємодії електронів з плазмонами) значно менший за час розльоту електронів. Це дозволяє зробити перехід від кінетичного описування до газодинамічного на що вперше звернули увагу Д.Д.Рютов та Р.З.Сагдєєв. Ними була отримана так звана квазігазодинамічна система рівнянь, яка описує розліт електронів з функцією розподілу, що зменшується із швидкістю (). Незважаючи на багаторічні (практично тридцятирічні) спроби до останнього часу не вдавалось отримати задовільного погодження аналітичних результатів в цій задачі з числовими та спостережуваними. В зв’язку з цим, а також з надзвичайною важливістю для інтерпретації астрофізичних даних, багатьма авторами висловлювалась думка про нагальну потребу подальших досліджень в цьому напрямку. Спостереження показують, що плазмове випромінювання породжується групами електронів із швидкостями значно більшими за теплові, а тому аналіз задачі повинен бути проведений в першу чергу для пучків електронів з . Цей випадок також більш придатний для теоретичного аналізу, тому що вже в початковий момент функція розподілу нестійка, що є основою для переходу від кінетичного опису до газодинамічного.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота є частиною наукових досліджень, які проводились в Радіоастрономічному інституті Національної Академії Наук, за темами “Парсек”, “Галактика”, “Метагалактика”. Окремі частини роботи входили також в тему N U9W000 Соросівського фонду та в міжнародний проект INTAS N 096-0183 .

Мета та задачі дослідження

Метою дисертаційної роботи є побудова теорії розповсюдження та випромінювання електронів в космічній плазмі та пояснення за її допомогою спостережуваних та експериментальних даних з дослідження активних процесів в різноманітних космічних об’єктах (Сонце, пульсари, планети, галактики).

Наукова новизна одержаних результатів

Розліт електронів в плазмі характеризується постійним відновленням умов пучкової нестійкості. Плазмові хвилі, що внаслідок цього генеруються, впливають в свою чергу на розліт електронів, роблячи його суттєво нелінійним. Через те, що час електрон-плазмонної взаємодії в умовах космічної плазми значно менший за час розльоту електронів, мається можливість перейти від кінетичного описування до газодинамічного . В дисертації вперше отримана самоузгоджена система рівнянь для системи “електрони + плазмони”. Знайдено розв’язок цих рівнянь, який представляє собою нелінійний обєкт - пучково-плазмове утворення. Воно складається з плазмонів та електронів. На передньому фронті швидкі електрони випромінюють плазмові хвилі, а на задньому - повільні електрони їх поглинають. Пучково-плазмові утворення рухаються з постійною швидкістю і можуть розповсюджуватись на великі відстані без суттєвих втрат енергії.

На основі газодинамічної теорії розльоту електронів в плазмі запропонована модель сонячних сплесків Ш типу. В цій моделі сплеск Ш типу складається з великої кількості мікросплесків, що представляють собою випромінювання пучково-плазмових утворень. Плазмовий механізм випромінювання (процеси , , ) забеспечує яскравісні температури сплесків в широких межах. В даній моделі знаходять пояснення такі спостережувані факти як сталість швидкості дрейфу сплесків та їх характерна величина - , яскравісна температура та форма сплесків.

Незрозумілі до останнього часу експериментальні дані з радіолокації Сонця знаходять своє поясненння в плазмовій моделі відбиття радіолокаційного сигналу при розсіянні його на анізотропній ленгмюрівській турбулентності, що генерується електронами, які відповідають за сплески Ш типу. При цьому великі поперечники відбиття пов’язуються з розсіянням радіолокаційного сигналу в процесах на висотах у випадку. якщо електрони рухаються в напрямку Сонце-Земля, а малі - - в бік від Землі. Відбиття сигналу на великих висотах () формуються при комбінаційному розсіянні () на іонно-звуковій турбулентності джерелом якої є ленгмюрівська турбулентність.

В сонячних магнітних арках електрони, що прискорені у спалахах, розповсюджуються у зовнішніх магнітних та електричних полях. Вперше доведено, що у випадку сильного магнітного поля () електрони розповсюджуються у вигляді пучково-плазмових утворень, які можуть випромінювати за допомогою електронно-циклотронного мазерного механізму, що дозволяє пояснити з єдиних позицій високі яскравісні температури, тривалість сплесків та їх швидкості дрейфу в мікрохвильовому діапазоні.

Наявність електричного поля веде до формування пучково-плазмових утворень, які рухаються прискорено. В підошвах магнітних арок електрони цих утворень є джерелом рентгенівського випромінювання за асиметрією якого можна визначати величину електричного поля.

Найбільш реальним джерелом радіовипромінювання пульсарів, певно, є потоки релятивістських електронів і пов’язана з ними пучкова нестійкість. В дисертаційній роботі цей напрямок розвинений далі, а саме: розглянуто вплив динаміки розльоту електронів на рівень турбулентності, яка ними генерується. Показано, що він значно менший за раніше прийнятий. Знайдені параметри пучків електронів, які можуть пояснити спостережувані яскравісні темпертури радіовипрмінювання.

Вперше розглянута модель, в якій радіовипромінювання позагалактичних викидів пов’язується з проходженням потоку релятивістських електронів малої густини через помірно релятивістську плазму. “Вузли” у викидах, що рухаються, являють собою сукупність релятивістських пучково-плазмових утворень, параметри яких забеспечують спостережувані потоки радіовипромінювання.

Практичне значення одержаних результатів

Запропонована теорія розповсюдження та випромінювання пучків електронів в плазмі дозволяє зрозуміти основні закономірності цих явищ, а також на її основі пояснити спостережувані дані з радіовипромінювання різних космічних обєктів (Сонце, планети, пульсари, позагалактичні викиди тощо), експериментальні результати з радіолокації Сонця, супутникові дані з реєстрації потоків електронів та плазмових хвиль поблизу орбіти Землі, а також планувати нові спостереження та експерименти з дослідження активних процесів, що відбуваються в космосі.

Особистий внесок здобувача

Особистий внесок автора в роботах [184,185,204,205] полягає в виконанні теоретичних досліджень, а в роботах [140-146,153,160-167,179,210,211] - в постановці задач, отриманні основних рівнянь, обговоренні аналітичних та числових результатів, написанні текстів статей.

Апробація результатів дисертації

Основні результати роботи доповідались на наступних наукових конференціях та нарадах: “Радиоастрономические исследования солнечной системы”, (Одесса, 1985), Всесоюзний семінар “Плазменная электроника”, (Харьков, 1988), 3d International Workshop “Planetary radio emission, (Graz, Austria, 1992), 4th International Workshop “Planetary radio emission, (Graz, Austria, 1997), EPS conference “Controlled Fusion and Plasma Heating (Amsterdam, Netherland, 1990), EPS conference “Controlled Fusion and Plasma Heating (Kiev, 1996) , ХХ Всесоюзна радіоастрономічна конференція, (Ашхабад, 1991), XXV радіоастрономічна конференція (Пущино,1993), XXVI радіоастрономічна конференція, (Санкт-Петербург, 1995), XXVII Радіоастрономічна конференція “Проблемы современной радиоастрономии”, (Cанкт-Петербург, 1997), міжрегіональна конференція по радіоастрономічним дослідженням сонячної системи, (Нижний Новгород, 1992), міжнародній семінар “Физика космической плазмы”, (Киев, 1994), XV радіоастрономічна конференція “Актуальные проблемы внегалактической астрономии”, (Пущино, 1998), International Symposium Plasma 97 “Research and applications of plasma, (Opole, Poland, 1997), JENAM-97, (Tsessaloniki, Greece, 1997), International conference “Mathematical Methods in Electromagnatic Theory, (Kharkov, 1998), Chapman conference “Space Based Radio Observations at Long Wavelengths, (Paris, France, 1998), International conference “Plasma Turbulance and Energetic Particles in Astrophysics, (Cracov, Poland, 1999), IAU Colloquium 177 “Pulsar Astronomy-2000 and beyond (Bonn, Germany, 1999), IAU Symposium 199 “The Universe at Low Radio Frequencies, (Pune , India, 1999), JENAM “UkrAstro 2000” (Kyiv, Ukraine, 2000), 24th General Assembly of IAU (Manchester, UK, 2000), YIII Ukrainian Conf. and School of Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta, Ukraine, 2000).

Публікації

Результати дисертації опубліковані в 31 статті в наукових журналах, в 10 збірках трудів міжнародних конференцій та в 23 тезах конференцій.

Основна частина

Дисертація складається з ВСТУПУ, шести РОЗДІЛІВ, ВИСНОВКІВ та СПИСКА ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ. Обсяг роботи – 254 сторінки, включаючи 43 рисунки; список цитованої літератури складається з 220 найменувань.

В РОЗДІЛІ 1 наводиться стислий огляд розвитку головних напрямків досліджень, що відносяться до проблем розповсюдження та випромінювання потоків швидких електронів в плазмі. При цьому головна увага приділяється роботам, результати яких застосовуються до різноманітних астрофізичних ситуацій.

В першу чергу це - сонячні сплески Ш типу, що обумовлені, як відомо, потоками електронів, які розповсюджуються із швидкостями вздовж відкритих ліній магнітного поля. Ленгмюрівська турбулентність, що генерується ними, обумовлена динамікою розльоту електронів і є джерелом радіовипромінювання, яке реєструється на Землі у вигляді сплесків Ш типу.

Радіолокація Сонця являє собою потужній діагностичний інструмент для визначення властивостей цієї турбулентності, а отже і потоків частинок. Аналіз результатів пасивних та активних експериментів дозволяє суттєво просунитись в розумінні процесів, що відбуваються під час розповсюдження швидких електронів, генерації плазмових хвиль та їх конверсії в спостережуване випромінювання.

В багатьох астрофізичних об’єктах (Сонце, планети, пульсари) швидкі електрони розповсюджуються в достатньо сильних електричних та магнітних полях, що позначається як на особливостях розльоту електронів, так і на властивостях їх радіовипромінювання. Прикладом може слугувати випадок сильних магнітних полей таких, що , коли механізм випромінювання змінюється з плазмового на електронний циклотронний мазерний.

Особливий інтерес викликає також розгляд динаміки розльоту та випромінювання релятивістських електронів в пульсарах та в позагалактичних викидах. Енергія, що пов’язана з ними призводить, зокрема, до випромінювання з величезними яскравісними температурами.

В РОЗДІЛІ 2 викладається газодинамічна теорія розповсюдження потоку швидких електронів в плазмі, коли характерний час взаємодії електронів з ленгмюрівськими хвилями, які ними генеруються, (час квазілінійної релаксації) малий в порівнянні з часом розльоту електронів.

За допомогою методу, що є аналогічним до методу Чепмена-Енскога, отримана система газодинамічних рівнянь з системи кінетичних рівнянь квазілінійної теорії (підрозділ 2.1). Через те, що в результаті квазілінійної релаксації в кожній точці встановлюється стан з плато на функції розподілу електронів, який характеризується височиною та максимальною швидкістю, газодинамічні рівняння формулюються для цих величин. Вони також визначають спектральну густину енергії ленгмюрівських хвиль.

Знайдено аналітичний розв’язок газодинамічних рівнянь в різноманітних постановках: початковій (пункт 2.2.1), граничній (пункт 2.2.2) у випадку інжекції моноенергетичного пучка електронів. Виявляється, що у всіх випадках електрони розповсюджуються в плазму у вигляді пучково-плазмового утворення, що рухається зі сталою швидкістю, яка дорівнює половині початкової швидкості електронів пучка. Це утворення складається з електронів та ленгмюрівських хвиль, що їх супроводжують. Характерною властивістю розповсюдження початкового моноенергетичного пучка електронів є те, що половина енергії електронів зосереджена у місці інжекції електронів у вигляді хмари ленгмюрівської турбулентності. Якщо початкова функція розподілу електронів має лінійну залежність від швидкості , то вся енергія виноситься пучково-плазмовим утворенням (пункт 2.2.3). Властивість пучково-плазмового утворення розповсюджуватись на великі відстані без втрат енергії пов’язана з тим, що плазмові хвилі, які генеруються електронами на передньому фронті, повністю поглинаються більш повільними електронами на задньому фронті.

В підрозділі 2.3 також отримана система газодинамічних рівнянь для одночасного розповсюдження двох пучків електронів. Взаємодія утворень виявляється в тому, що у випадку а) фаза швидкого утворення від’ємна, що складає враження про більш ранній момент його інжекції. У випадку б) навпаки фаза повільного утворення позитивна, що проявляється в більш пізньому його формуванні. Форма утворень також змінюється. Коли повільний пучок щільний передній фронт повільного утворення збіднений частинками - їх частина перейшла в передній фронт швидкого утворення. У випадку б) також відбувається перехід частинок повільного утворення в швидке, але при цьому викривляється форма тільки повільного утворення - його передній фронт стає більш крутим. Якщо повільний пучок низької густини (випадок в)), то формується тільки швидке пучково-плазмове утворення - повільне утворення поглинається ним. При цьому форма швидкого пучково-плазмового утворення залишається симетричною.

Числовий розв’язок кінетичних рівнянь в наведених задачах про розповсюдження моноенергетичних пучків електронів повністю підтверджує головні положення газодинамічної теорії. Дійсно, в кожній точці, встановлюється плато на функції розподілу елктронів з незмінною максимальною швидкістю. Електрони та плазмові хвилі групуються в утворення, що рухається зі сталою швидкістю. Функціональна залежність спектральної густини енергії хвиль від їх фазової швидкості близька до аналітичної. В числових розрахунках також спостерігалось формування двох плато на функції розподілу електронів та незмінними максимальними швидкостями з переходом частини електронів з повільного утворення в швидке з відповідною спектральною густиною хвиль.

В цьому ж РОЗДІЛІ (підрозділ 2.4) чисельно та аналітично розглянуто квазілінійний розліт електронів з максвелівською функцією розподілу з температурою значно більшою за температуру оточуючої плазми. Характерною особливістю такого розліту є те, що в початковий момент електрони розповсюджуються вільно (). Проте, через те, що швидкі електрони випереджають повільні, на функції розподілу формується область з позитивною похідною. Починається генерація плазмових хвиль та встановлення плато на функції розподілу електронів. Найбільш інтенсивно ці процеси відбуваються для електронів зі швидкостями ( - теплова швидкість електронів хмари). Ці електрони відокремлюються від головної частини електронів та розповсюджуються у вигляді пучково-плазмового утворення. Частинки, що залишаються в місці інжекції, виявляються замкненими ленгмюрівською турбулентністю, яка була згенерована електронами, що пішли.

Таким чином доведено, що в незалежності від вигляду початкової функції розподілу електронів формується пучково-плазмове утворення, яке розповсюджується зі сталою швидкістю на великі відстані без втрати енергії.

Феноменологічна модель сплесків Ш типу, що спирається на газодинамічну теорію розльоту електронів в плазмі, викладається в РОЗДІЛІ 3. Відповідно до цієї моделі сплеск складається з великої кількості мікросплесків малої тривалості. На користь цього промовляє: складна структура сплесків Ш типу на початкових частотах їх появи, явище сильної просторової неоднорідності в розподілі плазмових хвиль в плазмі сонячної корони - їх групування в окремі згустки (сlumps), обмеження, що пов’язані з розповсюдженням випромінювання (теорема Ліувілля). Сюди можна віднести також і неможливість погодження відносно великої тривалості сплеска Ш типу з великою яскравісною температурою випромінювання через те, що в цьому випадку ленгмюрівські хвилі, які збуджуються швидкими електронами і які є джерелом випромінювання сплеска, інтенсивно розсіюються на іонах плазми. Це в свою чергу призводить до швидкої втрати енергії електронами і як результат до неминучого зникнення сплеска в наступні моменти на більш низьких частотах.

В зв’язку з тим, що електрони в плазмі розповсюджуються у вигляді пучково-плазмових утворень природньо вважати, що мікросплески - це і є випромінювання таких утворень. Розсіювання ленгмюрівських хвиль, що входять в утворення, на іонах плазми (підрозділ 3.3) обмежує зверху швидкість їх розповсюдження величиною (з більш великими швидкостями утворення розповсюджуються із значно меншою густиною). Вона в основному визначається тепловою швидкістю електронів плазми та не сильно залежить від густини швидких електронів. Разом зі сталістю швидкості розповсюдження пучково-плазмових утворень це забеспечує практично незмінну швидкість також і сплесків Ш типу , коли вони дрейфують від високих частот до низьких. Спостережувана тенденція її слабкого зменшення від до пояснюється повільним зменшенням з висотою температури плазми у верхній короні.

Відносно мала величина магнітного поля () призводить до того, що випромінювання пучково-плазмових утворень є плазмовим (підрозділ 3.4), тобто пов’язане з конверсією поздовжних хвиль в поперечні в нелінійних процесах розсіяння (пункт 3.4.1), комбінаційного розсіяння за участі тільки поздовжніх хвиль (пункт 3.4.2) та за участі поздовжніх та поперечних хвиль (пункт 3.4.3).

Знання явної залежності спектральної густини енергії плазмових хвиль від фазової швидкості дозволяє отримати детальну картину випромінювання пучково-плазмових утворень. Найбільш інтенсивним є випромінювання утворень зі швидкостями . Із зменшенням їх швидкості інтенсивність швидко падає. Тому випромінювання від хмари пучково-плазмових утворень з різними швидкостями має характерну форму у вигляді швидкого підйому (за нього відповідають утворення зі швидкостями , але малою густиною) та відносно повільного спаду (випромінювання утворень зі швидкістю ).Через те, що форма сплеску обумовлена дисперсією швидкостей, вона повинна самоподібним чином змінюватись з частотою, що неодноразово відзначалось.

Яскравісна температура випромінювання пучково-плазмових утворень на першій гармоніці (процеси ) визначається яскравісною температурою плазмових хвиль та складає на декаметрових хвилях величину (для потоків електронів з ). Врахування фактору заповнення дає спостережувані яскравісні температури сплесків Ш типу. Інтенсивність випромінювання на другій гармоніці в результаті процесів , в яких приймають участь ленгмюрівські хвилі, що входять в склад пучково-плазмового утворення, та хвилі, які розсіянні на іонах плазми визначаються турбулентністю останніх. Якщо реалізуються ситуації (наприклад, при розповсюдженні електронів в короні з підвищеною температурою), коли швидкі сть утворень більша за , випромінювання на другій гармоніці може бути пов’язане зі злиттям ленгмюрівської хвилі з поперечною на плазмовій частоті (). При цьому інтенсивність випромінювання на другій гармониці пропорційна інтенсивності випромінювання на першій. Оцінки показують, що в обох випадках (процеси та ) яскравісні температури випромінювання близькі до температур випромінювання на першій гармоніці.

В підрозділі 3.5 показано, що післясплескове підвищення яскравісної температури Сонця пов’язане з формуванням неврівноважених розподілів швидких електронів та спектральної густини енергії ленгмюрівських хвиль.

Плазмова теорія відбиття радіолокаційного сигналу від Сонця розглядається в РОЗДІЛІ 4. Експериментальним підгрунтям для її розробки були результати, що отримані Джеймсом при радіолокації Сонця на частоті . Серед них найбільш важливими є: перерізи відбиття, які змінювались в широких межах від до ( - радіус Сонця), висоти відбиття - від до , симетричні спектри відбитих сигналів з шириною від до , кореляція властивостей відбиття з місцем спалахів на диску Сонця та з його спорадичною активністю (підрозділ 4.1).

Головні положення плазмової теорії викладаються в підрозділі 4.2. При цьому використовується ідея, яка вперше була висунута І.М.Гордоном, про визначальну роль мілкомасштабної турбулентності при відбитті радіолокаційного сигналу. Така турбулентність (ленгмюрівська та іонно-звукова) генерується потоками електронів, які відповідальні за сплески Ш типу. Виходячи з властивостей ленгмюрівської турбулентності, а саме: анізотропності - хвильові вектори плазмових хвиль в основному направлені за рухом та проти руху електронів, рівня турбулентності, який визначається густиною енергії потоків електронів, та її характерних просторових розмірів, досліджується ефективність нелінійних плазмових процесів за участю поздовжної (ленгмюрівської та іонно-звукової) та поперечної (зондуючої) хвилі на різних висотах в короні Сонця (підрозділ 4.2, 4.3).

Підсилення сигналу за рахунок процесів вимушеного розсіювання ленгмюрівських хвиль на іонах плазми (процеси ) можливі у вузькому шарі поблизу плазмового рівня (пункт 4.3.2). Однак реалізація цього механізму відбиття малоймовірна, через те, що сигнал повинен, не розсіявшись в інших процесах, глибоко проникнути в корону. Разом з тим цей механізм може проявити себе при відбиттях від, наприклад, ударних хвиль.

Відбиття з великими частотними зміщеннями відбуваються, коли радіолокаційна хвиля приймає участь в процесах комбінаційного розсіювання (пункт 4.3.3). При цьому частота відбитого сигналу може змінюватись від половинної до подвійної частоти радіолокаційного сигналу. Переріз відбиття при цьому зрівнюється з перерізом відбиття за рахунок процесів .

Якщо в короні маються області, в яких , то в присутності високого рівня ленгмюрівської турбулентності має місце (в розпадних процесах ) збудження іонно-звукової турбулентності. При наявності останньої радіолокаційний сигнал може розсіюватись і на хвилях цієї турбулентності. Дослідження цього питання наведено в підрозділі 4.4. Тут знайдено спектр іонно-звукової турбулентності, коли джерелом її є ленгмюрівські хвилі, що були згенеровані швидкими електронами (пункт 4.4.1). Показано, що не дивлячись на достатньо низький її рівень () ефективність процесів може виявитись достатньою для формування відбитого сигналу (пункт 4.4.2). Він повинен складатись з двох симетрично розташованих відносно частоти падаючої хвилі - з позитивним частотним зміщенням завдяки процесам злиття та від’ємним - внаслідок розпаду . Величина цього зміщення повністю визначається температурою електронної компоненти плазми і дорівнює . Висоти, на яких ефективні ці процеси розсіяння змінюються від до . Таким чином отримані в експериментах Джеймса відбиття з такими ж властивостями говорять на користь існування в короні областей з температурами електронної та іонної компоненти, які задовольняють нерівності .

В підрозділі 4.5 мова йде про можливості радіолокації Сонця на різних частотах. Через те, що перерізи розсіювання пропорційні перерізам області, в якій збуджена ленгмюрівська турбулентність, а вона в свою чергу, відповідно до результатів спостережень сплесків Ш типу, росте з пониженням частоти, то слід очікувати, що радіолокація на частотах повинна дати перерізи відбиття в 2-4 рази більші за отримані Джеймсом. В порівнянні із стандартною теорією відбиття від шару з , представлена в дисертації теорія передбачає не таке швидке зменшення попереків із збільшенням частоти і тому можна сподіватися отримати відбиті сигнали і на частотах більших за . Параметри відбитих сигналів таких як перерізи та висоти відбиття, ширини спектрів відбитих сигналів визначаються рівнем турбулентності, їх спектральними властивостями, температурою та густиною корональної плазми а отже радіолокація може бути могутнім засобом для діагностики областей корони, які недоступні для вивчення іншими методами. Радіолокаційні експерименти (особливо з одночасними спостереженнями сплескової складової радіовипромінювання Сонця на близьких частотах) можуть суттєво допомогти в побудові задовільної теорії сплесків Ш типу.

В РОЗДІЛІ 5 аналізуються особливості розповсюдження та випромінювання пучків електронів в зовнішних магнітних та електричних полях.

Наявність достатньо великого магнітного поля () суттєво впливає на динаміку розльоту та випромінювання пучків електронів. В підрозділі 5.1 розглядається розповсюдження моноенергетичного пучка електронів, що інжектується під кутом до магнітного поля. Показано, що і в магнітниму полі електрони розповсюджуються в плазмі у вигляді пучково-плазмових утворень, але тепер вони формуються при взаємодії з швидкими магніто-звуковими хвилями (які переходять в ленгмюрівські при зменшенні магнітного поля до нуля). Ці утворення розповсюджуються вздовж силових ліній магнітного поля зі сталою швидкістю. Вони можуть випромінювати за допомогою електронно-циклотронного мазерного механізму звичайні та незвичайні хвилі на електронній циклотронній частоті в практично перпедикулярному до силових ліній напрямку.

Нещодавно на радіотелескопі УТР-2 було відкрито потужнє (з температурою ) радіовипромінювання від спалахуючої зірки EV Lac в декаметровому діапазоні. Властивості цього випромінювання - вузька частотна полоса, відсутність дрейфу та тонка часова структура нагадує спайки радіовипромінювання від Сонця в мікрохвильовому діапазоні. Це говорить на користь того, що мабуть, його природа та ж сама. Але параметри плазми, з якої виходить випромінювання, дещо інші - густина плазми , а магнітне поле . Перераховані вище приклади випромінювання пучково-плазмових утворень в магнітному полі в різних об’єктах обговорюються в підрозділі 5.2.

В плазмі в зовнішньому електричному полі швидкі електрони розповсюджуються, як доведено в підрозділі 5.3, у вигляді пучково-плазмового утворення, що рухається прискорено. Це пов’язано з тим, що електричне поле прискорює (або уповільнює) найбільш швидкі електрони, що призводить до збільшення (зменшення) ширини плато на функції розподілу. Через те, що швидкість пучково-плазмового утворення визначається середньою швидкістю електронів, які в нього входять, це призводить до відповідної зміни із часом його швидкості. Електричне поле “витягує” (або “вдавлює”) електрони з області теплових швидкостей, що збільшує (зменшує) густину частинок утворення.

Остання властивість може бути використана для визначення величини електричного поля в сонячних магнітних арках (підрозділ 5.4). Справа в тому, що жорстке рентгенівське випромінювання, що виходить з підошв арок, має значну асиметрію - більш інтенсивне випромінювання виходить з підошви, до якого пучки електронів прискорюються електричним полем на що вперше звернула увагу В.І.Абраменко з співавторами в 1993р. Враховуючи ефекти зміни густини в прискорюваному та уповільнюючому електричному полі, можна пов’язати вимірювану асиметрію з величиною електричного поля, що дає можливість оцінювати останнє.

Розповсюдження релятивістських пучків електронів в позагалактичних викидах та магнітосферах пульсарів розглядається в РОЗДІЛІ 6.

Такі взаємовиключні властивості викидів як, наприклад, надсвітові переміщення та значна їх викревленість можуть бути зрозумілі в рамках двокомпонентних моделей. В цих моделях основна речовина викида рухається з помірно релятивістськими швидкостями, наприклад, . Вона переносить основну масу речовини та енергію від ядра галактики (квазарів) до протяжних областей радіовипромінювання, які розташовані по обидва боки від ядра. Це забеспечує можливість пояснення швидкостей гарячих плям, відносно рівномірний розподіл яскравості в викиді в місці вигибів, поздовжні розміри викидів тощо. Разом з тим друга компонента, що представляє собою пучки електронів (або позитронів) рухається всередині викида зі швидкостями близькими до швидкості світла (з Лоренц фактором ). Ці електрони можуть бути відповідальні за релятивістські властивості викидів - надсвітові переміщення, релятивістське підсилення інтенсивності радіовипромінювання, однобічність викидів, низькочастотна змінність та інше. Динаміка розповсюдження пучків електронів в помірно релятивістській плазмі позагалактичних викидів обговорюється в підрозділі 6.1. Вона визначається ефектами вільного розповсюдження, а також генерацією та поглинанням ленгмюрівських хвиль, що призводить і в цьому випадку до необхідності газодинамічного описування. Показано, що в наведених вище умовах формується пучково-плазмове утворення, яке тепер рухається релятивістські з Лоренц фактором , де - Лоренц фактор електронів пучка. На відміну від нерелятивістського випадку основна енергія зосереджена в електронах (в раз більше, аніж в плазмових хвилях), що пов’язано з релятивістським збільшенням маси електронів. Ці утворення, потрапляючи в області з перпендикулярним до напрямку свого руху магнітним полем, можуть випромінювати за допомогою циклотронного механізму. Надсвітові переміщення спостерігались у “вузлів” в викидах, які рухаються з Лоренц фактором Ці “вузли” можуть представляти собою хмару релятивістських пучково-плазмових утворень (підрозділ 6.2). Обмеження, пов’язане з розсіюванням плазмових хвиль на іонах основної плазми викида дає значення Лоренц фактора утворень, які можуть розповсюджуватись на великі відстані (ситуація тут аналогічна тій, що мається для сплесків Ш типу, коли визначається характерна їх швидкість дрейфу ). Знайдений таким чином розмір “вузлів” близький до спостережуваного.

Інший приклад релятивистських пучків електронів - це пучки, що генеруються в електрон-позитронній плазмі пульсарів, з якими пов’язують їх радіовипромінювання. Ці пучки, маючи відносно малу енергію в порівнянні з енергією основного потоку плазми, можуть бути джерелом радіовипромінювання з температурою до . Особливістю пучково-плазмових утворень, які формуються в цих умовах, (підрозділ 6.3) є те, що у випадку початкового моноенергетичного пучка, в плазму окрім утворення розповсюджується і хмара ленгмюрівських хвиль, що обумовлено їх великою груповою швидкістю, яка зрівнюється зі швидкістю світла. При співвідношенні ( - Лоренц фактор теплових електронів плазми) пучково-плазмове утворення супроводжується плазмонною хмарою, через те, що їх швидкості зрівнюються. При цьому інтенсивність випромінювання, обумовленого швидкими електронами, може суттєво підвищитися при зворотньому комптонівському розсіюванні електронів на плазмових хвилях, через те, що в данному випадку розсіяння відбувається на плазмовій турбулентності з енергією, яка зрівнюється з енергією електронів.

ГОЛОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Побудована газодинамічна теорія розльоту пучків електронів в плазмі:

а) отримана самоузгоджена система газодинамічних рівнянь для електронів та плазмових хвиль, що ними генеруються, у випадку, коли час взаємодії між електронами та плазмовими хвилями малий в порівнянні з часом розльоту електронів;

б) знайдено розв’язок задач (початкової та граничної) про розліт моноенергетичного пучка електронів і доведено, що електрони розповсюджуються у вигляді пучково-плазмового утворення. Це утворення представляє собою нелінійний об’єкт, що складається з електронів та плазмонів і рухається з постійною швидкістю;

в) досліджено взаємодію двох пучково-плазмових утворень та показано, що при малій густині повільного утворення воно повністю поглинається швидким. В зворотньому випадку взаємодія змінює фазу та форму утворень, залишаючи швидкість утворень незмінною;

с) в разі проникнення в плазму хмари електронів з максвелівською функцією розподілу основна частина електронів зосереджується поблизу місця інжекції, а вглиб плазми електрони розповсюджуються у вигляді пучково-плазмового утворення.

2.

а) показано, що швидкість дрейфу сплесків Ш типу визначається тепловою швидкістю електронів та слабо залежить від густини швидких електронів. З боку великих швидкостей швидкість дрейфу обмежена процесами розсіяння на іонах, а з боку малих - низькою ефективністю процесів трансформації поздовжніх хвиль в поперечні;

б) незмінність швидкості дрейфу сплесків Ш типу пов’язана із сталістю швидкості розповсюдження електронів в умовах практично незмінної теплової швидкості електронів;

в) показано, що швидкість дрейфу сплесків Ш типу в два рази менша за характерну фазову швидкість ленгмюрівських хвиль, які відповідають за випромінювання цих сплесків;

г) запропоновано новий механізм випромінювання для швидких сплесків Ш типу, який заснований на процесі ;

д) отримані форми сплесків Ш типу та знайдені їх яскравісні температури;

е) показано, що підвищення яскравісної температури радіовипромінювання Сонця після сплесків Ш типу обумовлене неврівноваженістю післясплескової плазми.

3.

а) головне відбиття відбувається на висотах в процесах . Великі перерізи відбиття спостерігаються у випадках, коли потоки електронів рухаються від Сонця до Землі, а малі - в бік від Землі. Для цього також необхідно, щоб їх густина була достатньо великою . При цьому характерні фазові швидкості плазмових хвиль повинні бути ;

б) відбиття з перерізами відбуваються на висотах, де ширина спектру плазмових хвиль зрівнюється з хвильовим числом радіолокаційної хвилі;

в) підсилення сигналу поблизу рівня можливе в процесах релеєвського розсіяння ();

г) спостережувані відбиття від великих висот пояснюються розсіянням на іонно-звуковій турбулентності, яка супроводжує ленгмюрівську турбулентність;

д) відбиття з більшими частотними зміщеннями (процеси ) мають великі перерізи відбиття;

е) запропоновано діагностику плазми за результатами радіолокації Сонця.

4.

а) мінімальна тривалість випромінювання на даній частоті визначається локальною плазмовою частотою;

б) випромінювання відбувається за допомогою електрон-циклотронного мазерного механізму на електронній циклотронній частоті;

в) швидкість дрейфу сплеска визначається величиною градієнту магнітного поля.

5. Розповсюдження пучків електронів у зовнішному елктричному полі відбувається у вигляді пучково-плазмових утворень, що рухаються прискорено.

а) в прискорюючему полі число електронів утворення збільшується за рахунок “витягування” електронів з області теплових швидкостей;

б) в уповільнюючому електричному полі кількість електронів в пучково-плазмовому утворенні зменшується через “вдавлювання” частини електронів в область теплових швидкостей;

в) рух пучково-плазмового утворення в електричному полі відбувається за законом ;

г) визначення величини електричного поля за ступенем асиметрії в рентгенівському випромінюванні з підошов магнітних арок.

6. В електрон-позитронній плазмі пульсарів та в помірно релятивістській плазмі позагалактичних викидів електрони рухаються у вигляді релятивістських пучково-плазмових утворень.

а) рівень енергії плазмових хвиль, що супроводжують електрони в раз менший енергії електронів;

б) ефективна температура випромінювання пучково-плазмових утворень близька до спостережуваної;

в) Лоренц-фактор пучково-плазмового утворення визначається максимальною енергією електронів відповідно до формули ;

г) розмір “вузлів” в радіовипромінюванні позагалактичних викидів визначається процесами упругого розсіювання плазмових хвиль на іонах та ефективністю процесів радіовипромінювання;

д) синхротронне випромінювання пучково-плазмових утворень має ступеневий спектр .

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.