Энергетические спектры рентгеновских вспышек для разных активных областей

Вспышкой принято считать проявление солнечной активности, связанное с быстрым и локально концентрированным энерговыделением. Внимание, которое уделяется исследованию вспышек, вызвано как теоретическим интересом к этим нестационарным образованиям в активных областях Солнца со сложной структурой магнитного поля, так и чисто прикладным аспектом: известно, что с появлением вспышек на Солнце связаны многие явления в атмосфере и магнитосфере Земли.

Большое многообразие сценариев развития отдельных вспышек не позволяет пока выделить причинно-обусловленный набор признаков накопления энергии во вспышках и уточнить существующие модели вспышек.

Незавершенность теории вспышек и существование значительного разнообразия физически подобных вспышечных процессов на звездах позволяет предположить, что будет верна лишь такая теория солнечных вспышек, которая сможет объяснить более мощный класс вспышек на звездах. Так, в начале 70-х гг. были обнаружены важные аналоги между звездными (красные карлики) и солнечными вспышками, что позволило выдвинуть гипотезу об идентичности физической природы вспышек на Солнце и звездах типа UV-Кита [Gershberg, Shakhovskaya, 1983; Гершберг, 2002]. Оказалось, что вспышки солнечного типа являются распространенной формой звездной переменности.

Вспышки на Солнце лучше видны при наблюдении в узких спектральных участках, центрированных на избранные эмиссионные линии водорода или ионизованного кальция. Поэтому сопоставление со звездными вспышками не может быть проведено прямо, а требует физико-статистического анализа энергетики вспышек хотя бы в ограниченном спектральном диапазоне: рентгеновском или оптическом.

Отсутствие единой теории, объединяющей вспышечные процессы на Солнце и звездах, тормозит понимание природы солнечных вспышек. Очевидно, что глобальный подход к исследованию самых общих энергетических и временных закономерностей развития вспышек чрезвычайно важен для правильного понимания природы и выбора адекватной модели вспышек. Изучение физико-статистических свойств вспышек и их параметров в циклах солнечной активности имеет фундаментальное значение для модели вспышек, которая достаточно полно описывала бы процесс вспышкообразования не только в локальном, но и в глобальном аспекте.

Постановка задачи

Оценки энергии звездных вспышек показывают, что распределения их интегральных по времени значений энергии могут быть представлены степенной функцией N ~ E ^–β [Gershberg, Shakhovskaya, 1983; Гершберг, 2002; Кацова, Лившиц, 2006]. Степенной энергетический спектр был получен для солнечных оптических вспышек [Kурочка, 1987]. Был найден такой же характер энергетического спектра для солнечных вспышек мягкого рентгеновского диапазона 1–8 Å [Kasinsky, Sotnikova, 1989] и обнаружена уверенная корреляция спектрального индекса β с фазой 11-летнего солнечного цикла [Sotnikova, 2001; Kasinsky, Sotnikova, 2003]. Степенная зависимость часто используется для изучения общих законов возникновения и развития вспышек разного типа в разных диапазонах спектра [Veronig et. al., 2002; Yashiro et. al., 2006].

Для расчета интегрального энергетического спектра вспышек в работах [Kasinsky, Sotnikova, 1989; Sotnikova, 2001; Kasinsky, Sotnikova, 2003] привлекались данные прямых измерений потоков рентгеновского излучения на спутниках GОЕS. Преимущество прямых оценок энергии вспышек по сравнению с параметрическими оценками энергии в оптическом диапазоне состоит в том, что излучение в мягком рентгене оптически тонкое, т. е. отсутствует самопоглощение.

При рассмотрении энергетических закономерностей вспышек использовался подход, основанный на привлечении всего ансамбля вспышек в качестве материала, включая все слабые события (субвспышки) как несущие основную информацию о природе вспышечного процесса. Это исключает селективность, обеспечивает полноту рассмотрения и надежность результатов, полученных на больших массивах данных и больших интервалах времени.

Совпадение энергетических спектров вспышек звезд и Солнца по степенной зависимости и по спектральному индексу свидетельствует об идентичности физической природы вспышечной активности этих объектов, а изменение спектрального индекса β с фазой 11-летнего цикла Солнца может служить фундаментальной зависимостью для теории вспышек.

Известно, что 11-летний цикл Солнца синхронизирует все проявления солнечной активности, поэтому возможно, что изменение энергетического спектра вспышек в цикле является следствием 11-летнего цикла. Однако изменение β в цикле может происходить только за счет того, что с циклом активности изменяется процентное соотношение групп пятен разных классов – основных носителей магнитного поля. И если β для вспышек от групп разных классов различны, то этот вариант может привести к изменению β в цикле для всего Солнца, даже если от групп пятен одного и того же класса β не изменяется на протяжении цикла. Для уточнения этого вопроса необходимо рассмотреть, как энергетический спектр вспышек связан с группами пятен разных классов, т. е. какой вид будут иметь интегральные энергетические спектры для вспышек разных активных областей и будет ли их спектральный индекс β изменяться в цикле.

В работах [Сотникова, 2010; Sotnikova, 2010] исследовалась связь вспышек с группами пятен разных классов. Все расчеты были получены на основе единой базы данных [Сотникова, 2013] параметров рентгеновских вспышек и групп пятен цюрихской модифицированной классификации (McIntosh) за три цикла солнечной активности. Было установлено, что численные значения показателя спектра различны для активных областей развивающихся групп классов А–В–С, распадающихся групп классов E–F и находящихся в максимуме эволюции групп класса D. При этом β обнаруживал изменение с фазой цикла как для вспышек мощных активных областей, так и для более слабых, показывая положительную корреляцию с числами Вольфа. Кроме того, спектральный индекс проявлял заметную 22-летнюю модуляцию.

Для уточнения и обеспечения надежности предыдущих результатов необходимо расширить эти исследования и выполнить их для групп развивающихся активных областей раздельно для каждого класса A, B, C. При этом необходимо посмотреть, каким будет вид интегральных энергетических спектров вспышек от этих активных областей, будет ли для них изменяться показатель интегрального спектра с 11-летним циклом и сохранится ли присутствие 22-летней модуляции.

Исходные данные и результаты анализа

На рис. 1 в логарифмическом масштабе построена зависимость полного числа вспышек N с энергией E≥Emax от величины Emax. Эта зависимость идентична тем, которые получаются для вспышек на звездах. Интегральный энергетический спектр солнечных вспышек 1–8 Å построен по наблюдениям 21527 вспышек в 23-м цикле активности. В двойных логарифмических координатах в области средних и высоких значений энергии для всех спектров соблюдается линейная зависимость lgE=lgEmax –(1/β)lgN, где β – показатель спектра.

Обработка данных выполнена по методике [Sotnikova, 2010]. Для 21-го и 22-го циклов активности соответственно β=0.604±0.016 и β=0.559±0.017, что находится в хорошем согласии с общей картиной звездных энергетических спектров – активных красных карликов [Гершберг, 2002], показатель спектра которых заключен в интервале от 0.4 до 1.4.

Заметно, что имеется различие численных значений спектральных индексов для четного 22-го цикла и нечетных 21-го и 23-го циклов: β в 22-м цикле меньше, чем в 21-м и 23-м циклах

Используемые в работе данные прямых измерений потоков мягкого рентгеновского излучения солнечных вспышек 1–8 Å получены с комплекса спутников GOES в 1977–2007 гг. По длительности этот период соответствует трем циклам солнечной активности. В базе данных [Сотникова, 2013] для каждой активной области указан ее класс в любой день наблюдений на протяжении всего периода ее существования.

В соответствии с этими данными выявлены вспышки активных областей классов A, B, C, D, E, F, H. В пределах каждого класса A, B, C, D, Н и объединенных вместе классов E, F рассчитаны интегральные энергии вспышек, построены интегральные энергетические спектры и определены среднегодовые спектральные индексы.

Выявлено, что положительная корреляция β с фазой 11-летнего цикла присутствует для вспышек всех групп пятен, в том числе и для самых слабых групп класса А (рис. 2). Справа показан доверительный интервал на уровне значимости 0.95.

На следующем этапе для подтверждения 22-летней модуляции, замеченной в работах [Сотникова, 2010; Sotnikova, 2010], показатель спектра вычислялся как среднециклический, т. е. в пределах каж-дого11-летнего цикла был взят сплошной ряд данных от первого года и месяца до последнего в этом цикле. Такой расчет выполнен раздельно для вспышек активных областей классов A, B, C, D, Н и объединенных вместе классов E, F для 21-го, 22-го и 23-го циклов. Полученные результаты показаны в таблице и на рис. 3.

В таблице приведены численные значения спектрального индекса β в 21–23 циклах. Видно, что значения β отличаются для групп пятен, находящихся

lg E max
30 28 26
	)            1            2            3            4            Е lg N ( E > E max)

Рис. 1. Интегральный энергетический спектр всех вспышек 1–8 Å в 23-м цикле активности.

Рис. 2. Изменение показателя энергетического спектра рентгеновских вспышек активных областей класса А в трех циклах солнечной активности ( W – число Вольфа). Вверху справа показан доверительный интервал на уровне значимости 0.95.

Численные значения спектрального индекса β в 21–23 циклах для вспышек разных активных областей

Цикл	A	B	C	D	E-F	H
21	0.623±0.089	0.698±0.058	0.678±0.047	0.598±0.029	0.607±0.018	0.554±0.068
22	0.580±0.096	0.602±0.069	0.595±0.038	0.575±0.028	0.580±0.029	0.532±0.077
23	0.598±0.088	0.662±0.067	0.650±0.049	0.632±0.030	0.625±0.017	0.542±0.049

Активные области

Рис. 3. Распределение показателя спектра вспышек в трех циклах солнечной активности для групп, находящихся на разных стадиях эволюции. Присутствует 22-летняя модуляция.

на разных стадиях своей эволюции. На разных этапах развития активной области структура и динамика магнитного поля в ней значительно меняется [Милецкий, Наговицын, 2001], что, вероятно, должно отражаться на мощности происходящих в ней вспышек. Возможно, полученные результаты являются аргументом в пользу этой гипотезы.

Из рис. 3 видно, что распределение β в трех циклах для вспышек каждого класса групп пятен устойчиво сохраняет присутствие 22-летней модуляции. Кроме того, по данным, полученным за три цикла солнечной активности, можно отметить различие между средними за цикл индексами четного 22-го и нечетных 21-го и 23-го циклов для всех групп, что характерно для 22-летнего цикла. С точки зрения статистики этот результат требует уточнений, которые могут быть получены по дополнительным данным настоящего 24-го цикла или проверены в независимых исследованиях, например, продуктивности активных областей в нескольких 11-летних циклах.

Заключение

Результаты, полученные в предыдущих работах [Сотникова, 2010; Sotnikova, 2010] и уточненные расчетами настоящей статьи, показывают вариации показателя интегрального энергетического спектра вспышек каждой из активных областей с 11-летним циклом солнечной активности.

Это служит аргументом в пользу того, что эти вариации не являются продуктом распределения активных областей в цикле, а отражают их физическую взаимосвязь и глобальную причину механизма вспышек.

Спектральный индекс для всех активных областей выявляет заметную 22-летнюю модуляцию. Ее присутствие как в спектрах, построенных для отдельных активных областей, так и в спектрах, построенных из событий во всех активных регионах, предполагает существование глобального механизма вспышечной активности. Возможно, теория вспышек должна учитывать не только магнитные поля в области самой группы, но и общее магнитное поле Солнца.

Полученные выводы относятся к трем циклам солнечной активности и представляют интерес для теории как вспышек, так и динамо.

Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы по Соглашению от 24.08.2012 г. № 8407 между Минобразования и науки и ИСЗФ СО РАН.