Гамма-излучение и нейтроны солнечных вспышек, зарегистрированные прибором СОНГ в 2001-2004 гг.

Кузнецов*, В. Г. Курт*, И.Н. Мягкова*, Б.Ю. Юшков*, К. Кудела**

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына,
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва
Институт экспериментальной физики Словацкой АН, Кошице, Словакия

see abstract in English

Принято к публикации в журнале "Астрономический вестник"

Прибор СОНГ за три года работы ИСЗ "КОРОНАС-Ф" зарегистрировал гамма-излучение с энергией выше 500 кэВ в 28 солнечных вспышках. Рентгеновский балл этих вспышек лежал в диапазоне М1.4 е Х28 по классификации GOES. В 16-ти вспышках зарегистрированная прибором СОНГ энергия гамма-излучения превышала 4 МэВ. В трех событиях, а именно 25 августа 2001 г., 28 октября 2003 г. и 4 ноября 2003 г. было зарегистрировано гамма-излучение с энергией вплоть до 100 МэВ. Во время этих трех событий были обнаружены возрастания в каналах СОНГ, регистрирующих нейтроны с энергиями выше 20 МэВ. Для нейтронных возрастаний выполнены оценки энергий зарегистрированных нейтронов. Временной ход нейтронных возрастаний был сопоставлен с данными высокогорных наземных нейтронных мониторов, которые принципиально могли зарегистрировать приход высокоэнергичных нейтронов от Солнца. Следует отметить, что мы регистрировали серии вспышек с гамма-излучением, генерированные одной и той же областью. Показательны серии последней декады августа 2002 г. (АО NOAA 0069), конца мая 2003 г. (АО 0365) и знаменитого периода экстремальной солнечной активности в октябре-ноябре 2003 г., связанного с АО 0486 и АО 0501. Каталог может быть полезен для будущих статистических и корреляционных исследований солнечных вспышек.

ВВЕДЕНИЕ

Информация об энергичном нейтральном излучении солнечных вспышек - нейтронах и гамма-квантах - необходима для создания адекватных моделей ускорения заряженных частиц до релятивистских энергий во вспышках. Именно нейтральное излучение несет не искаженную влиянием межпланетных магнитных полей информацию об ускорительных процессах, происходящих непосредственно в солнечной атмосфере (например, Ramaty, Mandzhavidze, 1994). Существуют каталоги систематических измерений гамма излучения с энергией фотонов >300 кэВ за предыдущие два цикла солнечной активности (Yoshimori и др.,1983, Vestrand и др., 1999; Hurley и др.,1994; Бара и др.,1987). Известно лишь несколько вспышек, в которых уверенно было зарегистрировано гамма-излучение с энергией 30-100 МэВ. Высокоэнергичное излучение с энергией 10-200 МэВ было зарегистрировано в этих вспышках вблизи максимума солнечной активности (СА) в 1980-1982 г. и 1989-1991 г. в экспериментах GRS на ИСЗ "SMM" (Сhupp, 1988), EGRET на ИСЗ "CGRO" (Schneid и др. 1994), Гамма 1 на ИСЗ "Гамма" (Akimov и др., 1994) и SIGMA ИСЗ "Гранат" (Trottet и др, 1994).

Напомним также, что солнечные нейтроны были зарегистрированы впервые во время солнечной вспышки 21 июня 1980 г. прибором GRS, установленном на ИСЗ "SMM" (Сhupp и др., 1982). До наших измерений было лишь нескольких случаев прямой регистрации нейтронов солнечных вспышек (Ramaty, Mandzhavidze, 1994). Все сказанное показывает ценность новых экспериментальных данных о высокоэнергичном g-излучении и нейтронах солнечных вспышек.

В первой половине 23 цикла СА измерений высокоэнергичного g-излучении не было совсем. С августа 2001 по январь 2002 г. измерения прибором СОНГ являются единственными. С февраля 2002 г. информация о g-излучении с энергией <20 МэВ стала поступать с эксперимента RHESSY (Lin и др., 2002). Вышесказанное объясняет, почему число g-вспышек с энергией >500 кэВ, зарегистрированных в 23 цикле, заметно уступало статистике предыдущих циклов.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Прибор СОНГ (СОлнечные Нейтроны и Гамма-кванты), разработанный совместно НИИЯФ МГУ и ИЭФ САН (Словакия) успешно функционирует на борту ИСЗ "КОРОНАС-Ф" с июля 2001 г по настоящее время (Kuznetsov и др, 2004). Основу прибора составляет кристалл CsI(Tl) диаметром 20 см и высотой 10 см, со всех сторон окруженный активной антисовпадательной защитой из пластика толщиной 1 см. Регистрация нейтронов и гамма-квантов осуществляется по вторичным заряженным частицами - продуктам взаимодействия нейтральных частиц с СsI, для идентификации нейтронов используется зависимость формы импульса в CsI(Tl) от удельной ионизации регистрируемых частиц (Богомолов и др, 1996).
Прибор СОНГ измеряет рентгеновское и гамма-излучение в 11 каналах в интервале энергий 0.05-200 МэВ (эффективная площадь ?260-280 см2) и протоны с энергией 200-300 МэВ (геометрический фактор ?2000 см2cp) с временным разрешением 4 с, нейтроны с Е>20 МэВ с временным разрешением 30 с (эффективная площадь ?25-30 см2). Ранее такой же прибор был установлен на ИСЗ КОРОНАС-И (Кузнецов и др., 1995).

КАТАЛОГ ВСПЫШЕК ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ПО ДАННЫМ ПРИБОРА СОНГ

Таблица 1 представляет собой каталог вспышек, во время которых прибором СОНГ в 2001-2004 г. было зарегистрировано гамма-излучение с энергией выше 500 кэВ. В первой колонке таблицы приведена дата события, во второй - время начала, максимума и конца теплового рентгеновского излучения (SXR) по данным ИСЗ GOES. В четвертой колонке таблицы приведен балл SXR (по классификации GOES) и оптический балл вспышки, в пятой - координаты вспышки, в шестой - номер активной области, в которой эта вспышка произошла. Все перечисленные выше данные взяты из Интернета с сайта www.sec.noaa.gov.

В седьмой колонке приведено время начала и конца вспышки в канале 50-150 кэВ по данным СОНГ, в восьмой - данные о номинальной нижней границе максимальной энергии излучения, зарегистрированной в данном событии прибором СОНГ. Из таблицы видно, что максимальная энергия гамма-излучения - выше 60 МэВ была зарегистрирована во вспышках 25 августа 2001 г, 28 октября 2003 г. и 4 ноября 2003 г. В последней из них возрастание гамма-излучения регистрировалось и при энергии выше 100 МэВ. Анализ особенностей динамики потоков и спектров гамма-излучения вспышек октября-ноября 2003 г. приведен в работах (Веселовский и др., 2004, Kuznetsov и др., 2005a). Во время этих же вспышек были зарегистрированы возрастания в нейтронных канала прибора СОНГ. Эти события будут рассмотрены ниже более подробно. В таблице также даны примечания, в которых указаны причины, по которым гамма-излучение, возможно, было зарегистрировано лишь частично. Такими причинами могут быть радиационные пояса Земли (РПЗ), нахождение спутника в тени, пропуски данных в телеметрической информации.

В целом ряде случаев вспышки с регистрацией гамма-излучения происходили в одной и той же активной области, например, вспышки последней декады августа 2002 г. (АО NOAA 0069), конца мая 2003 г. (АО 0365) и знаменитого периода экстремальной солнечной активности в октябре-ноябре 2003 г. (АО 0486 и АО 0501) (Веселовский и др, 2004). Причем, как видно из таблицы, вспышки в одной и той же активной области происходили в течение достаточно длительного времени. Например, вспышки из АО 0069 наблюдались в течение пяти дней. Но особенно "долгоиграющей" оказалась область АО 0486, первые гамма-вспышки в которой были зарегистрированы сначала при ее выходе на видимую сторону Солнца 23 октября 2003 г., затем во время прохождения по диску вплоть до захода за западный лимб 4 ноября и при ее следующем прохождении по диску в середине ноября. Здесь уместно напомнить, что протонные события также наблюдаются сериями, при этом одна из активных областей создает несколько протонных вспышек подряд. Создается впечатление, что способность генерировать ускоренные частицы присуще активным областям в различной степени. Некоторые из них могут ускорять частицы до релятивистких энергий и демонстрируют это неоднократно, другие способны на ускорение только до десятков МэВ (Белов и др., 2005).

СОЛНЕЧНЫЕ НЕЙТРОНЫ ПО ДАННЫМ ПРИБОРА СОНГ

Как уже говорилось, за период с августа 2001 по декабрь 2004 солнечные нейтроны были зарегистрированы прибором СОНГ трижды - во время вспышек 25 августа 2001 г., 28 октября 2003 г. и 4 ноября 2003 г. На рис. 1, 2 и 3 представлены временные зависимости суммарных скоростей счета (после вычитания фона, определенного во время прохождения предыдущего витка с такими же геомагнитными условиями) в нейтронных каналах прибора СОНГ с энерговыделением 15-26, 26-40, 40-60 и 60-100 МэВ. На тех же рисунках приведены потоки гамма-излучения в каналах c номинальными значениями энергии 4-7 МэВ и 60-100 МэВ (прибор СОНГ), а также возрастания на нейтронных мониторах (НМ). Для вспышки 25 августа 2001 г. показаны данные НМ Чакалтая (Боливия), для вспышки 28 октября 2003 г. - НМ Цумеб (ЮАР) и для вспышки 4 ноября 2003 г. - НМ Мехико. Обсудим отдельно каждое из возрастаний.

Рис. 1. Временные зависимости потоков гамма-излучения в каналах 4-7 МэВ (тонкая пунктирная линия 1) и 60-100 МэВ (сплошная тонкая линия 2), суммарного возрастания в нейтронных каналах прибора СОНГ (значки 3), а также возрастание на нейтронном мониторе Чакалтая (сплошная жирная линия 4) во время вспышки 25 августа 2001 г.

Из рис. 1 видно, что возрастание в нейтронных каналах СОНГ наблюдалось с 16:35 до 16:39 UT. Сравнивая временные профили возрастания по данным СОНГ и НМ Чакалтая, мы видим, что возрастания произошли практически одновременно. НМ Чакалтая расположен на высоте H=5200 м над уровнем моря, имеет координаты 16.2оS, 292оE, жесткость геомагнитного обрезания R=13.1 ГВ. Во время вспышки 25 августа 2001 г., произошедшей около 16:30 UT, Солнце находилось практически над НМ (зенитный угол составлял 26.5о), что обеспечило необходимые условия для успешной регистрации солнечных нейтронов. Статистическое превышение скорости счета НМ в период 16:34-16:39 UT оценивается авторами (Watanabe и др., 2003) как 4.7?. Поскольку вспышка произошла на долготе Е34о, то наземное возрастание, вызванное приходом протонов (GLE), практически не было зарегистрировано сетью НМ. Одновременные независимые измерения прибором СОНГ и НМ Чакалтая дают все основания считать, что в данном событии действительно были зарегистрированы солнечные нейтроны. Считая, что нейтроны были генерированы вблизи максимума гамма-излучения (16:32+1 мин UT) и учитывая, что время распространения света от Солнца до Земли составляет 508 с, можно оценить энергию зарегистрированных в этой вспышке нейтронов по времени их пролета от Солнца до Земли как 400-200 МэВ. Как отмечено в таблице 1, окончание регистрации возрастания в 16:39 UT связано с отсутствием телеметрической информации (конец сеанса), поэтому нижняя оценка 200 МэВ носит достаточно формальный характер.

Второй случай регистрации солнечных нейтронов прибором СОНГ имел место во время мощной вспышки 28 октября 2003 г. Сравнение данных СОНГ с данными НМ Цумеб (координаты 19.2њS, 17.6њE, H =1240 м, R=9.29 ГВ) показывает, что возрастание на нейтронном мониторе, величина которого составила по данным (Plainaki и др., 2004) 3.4+0.3%, началось на 2-3 минуты раньше, чем возрастание по данным СОНГ.
Энергия ускоренных протонов в этом событии превышала несколько ГэВ. Следовательно, пришедшие к Земле нейтроны также могли иметь достаточно высокие энергии.
Разница во времени начала регистрации нейтронов на Земле и прибором СОНГ возможно объясняется существованием зависимости эффективности регистрации нейтронов прибором СОНГ от их энергии. Минимальная энергия регистрации нейтронов прибором СОНГ составляет 20 МэВ, она обусловлена величиной сечения взаимодействия нейтронов с ядрами Сs и I с образованием вторичных заряженных частиц. Максимум эффективности регистрации нейтронов прибором СОНГ лежит при энергиях 150-200 МэВ (Panasyuk и др., 2000). Верхняя граница энергии регистрации нейтронов прибором СОНГ близка к 800 МэВ, т. к. при взаимодействии нейтронов с энергией выше 600-700 МэВ с ядрами Сs и I велика вероятность образования вторичных заряженных частиц, обладающих достаточной энергией, чтобы выйти из кристалла в антисовпадательную защиту.

Рис. 2. То же, что и на рис.1, для вспышки 28 октября 2003 г., но приведены данные нейтронного монитора Цумеб.

Это приводит к тому, что эффективная площадь прибора СОНГ при регистрации нейтронов с энергией 600 МэВ падает по сравнению с максимальной в три раза, а для энергии нейтронов 800 МэВ практически стремится к нулю.
Разумеется, что нейтроны более высоких энергий достигнут Земли раньше, чем менее энергичные, этим, по всей видимости, и объясняется небольшое запаздывание начала возрастания по данным СОНГ по сравнению с данными НМ Цумеб. Приведенные на рис.2. данные о возрастании в нейтронных каналах прибора СОНГ во время этой вспышки позволяют оценить энергию зарегистрированных нейтронов как 350 МэВ, если они были генерированы во время импульсной фазы вспышки, или около 500 МэВ, если считать, что генерация нейтронов происходила во время второй, задержанной фазы.
Заряженные частицы, ускоренные в данной вспышке, пришли к Земле позднее, после 11:12 UT, что демонстрируют данные как прибора СОНГ (протонный канал 200-300 МэВ), так и наземных нейтронных мониторов (Kuznetsov и др., 2005b).


Третий случай регистрации нейтронов прибором СОНГ, имевший место во время вcпышки 4 ноября 2003 г., представлен на рис.3 вместе с данными нейтронного монитора Мехико (координаты 19.33оN, 99.18оW, H =2274 м, R=9.53 ГВ). Возрастание на НМ Мехико 4 ноября 2003 г. интерпретируется как приход солнечных нейтронов. GLE эта вспышка не вызвала, хотя явилась самой мощной в мягком рентгеновском излучении за последние 30 лет наблюдений.
Оценка энергии зарегистрированных нейтронов описанным выше способом составила 200-90 МэВ.
Следует отметить, что интенсивность потока нейтронов в этом событии оказалась достаточной для обнаружения дисперсии времени начала возрастания в различных каналах энерговыделения прибора СОНГ. Возрастание в каналах с меньшим энерговыделением, в которых вклад менее энергичных частиц был больше, регистрировалось несколько позднее, чем в старших каналах.

Рис. 3. То же, что и на рис.1, для вспышки 4 ноября 2003 г., но приведены данные нейтронного монитора Мехико.
Из рис.3. хорошо видно, что указанная выше особенность (более раннее возрастание скоростей счета на мониторе по сравнению с данными СОНГ) в этой вспышке видна еще более четко, чем это было во вспышке 28 октября. Отсутствие такой задержки во время вспышки 25 августа 2001 г. между данными СОНГ и НМ Чакалтая может быть связано с тем, что в данной вспышке энергия генерированных на Солнце нейтронов не слишком сильно превышала верхний порог регистрации прибора СОНГ (800 МэВ).


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе приведены данные о регистрации прибором СОНГ нейтронов и гамма-излучения солнечных вспышек в 2001-2004 гг. Получено, что во время 28 вспышек регистрировалось гамма-излучение с энергией выше 500 кэВ, а в 16-ти вспышках максимальная зарегистрированная прибором СОНГ энергия гамма-излучения превышала 4 МэВ. Это указывает на происходившее в данных вспышках ускорение частиц до высоких энергий. Данная экспериментальная информация является уникальной, несмотря на наличие еще одного действующего эксперимента (RHESSY) по регистрации гамма-излучения до энергий <20 МэВ.

Во время трех вспышек прибором СОНГ были зарегистрированы солнечные нейтроны и гамма-излучение с номинальной энергией выше 60 МэВ, что является свидетельством эффективного ускорения частиц до энергий в несколько сотен МэВ в данных вспышках. Данная экспериментальная информация представляет особую ценность, поскольку существует меньше десятка достоверных случаев прямой регистрации солнечных нейтронов за 25 лет наблюдений (с 1980 г. и по сегодняшней день), и примерно треть из них были получены благодаря эксперименту СОНГ на борту ИСЗ "КОРОНАС-Ф". Полученные при помощи СОНГ данные могут быть использованы для построения моделей ускорения частиц во вспышках до релятивистских энергий.

Авторы благодарят Л.И.Старостина и Е.А. Муравьеву за помощь в обработке данных. Работа выполнена при частичной поддержке гранта "Университеты России" (УР.02.02.509/05-1) и РФФИ (грант 05-02-17487). К. Кудела благодарит за поддержку агентство VEGA (Словакия, проект 4064).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Бара К., Ведренн П , Дьячков А.В., Курт В.Г. Всплески жесткого рентгеновского излучения Ех>50 кеВ, зарегистрированные на КА 'ВЕНЕРА-13'и 'ВЕНЕРА-14'. Каталог данных 1.11.1981-13.03.1983 // Под ред. Курт В.Г., ред., Междуведомств. Геофиз.Комитет при през. АН СССР. Материалы мирового центра данных Б. Москва. 1987. С130.

Белов A.В., Гарсия Г, Курт В.Г., Мавромичалаки Е. Протонные события и рентгеновские вспышки в трех последних солнечных циклах // Космич. исслед. 2005. Т. 43, ? 3. C.31-57

Богомолов А.В., Бритвич Г.И., Мягкова И.Н., Рюмин С.П. Идентификация нейтронов на фоне гамма-квантов при регистрации их детекторами на основе CsI (Tl). // Приборы и техника эксперимента. 1996. Т.39. ?1. С.13-19.

Веселовский И.С., Панасюк М.И., Авдюшин С.И. и др. Солнечные и гелиосферные явления в октябре - ноябре 2003 г.: причины и следствия // Космич. исслед. Т.42, ? 5, С. 456-508, 2004.

Кузнецов C.H., Богомолов А.В., Гордеев Ю.П. и др. Предварительные результаты эксперимента, проводимого с помощью комплекса аппаратуры СКЛ на ИСЗ "КОРОНАС-И" // Изв. РАН. Сер. физ. 1995. Т. 59. ? 4. С.2-6.

Akimov V.V., Leikov N.G., Kurt V.G., Chertok I.M. The Gamma-1 data on the March 26, 1991 solar flare // J.M. Ryan, W.T. Vestrand (Eds.), AIP Conference Proceedings, no. 294, "High Energy Solar Phenomena, New Era of Spacecraft Measurements, American Institute of Physics, New York, USA, 1994, P.130-133.

Chupp E.L., Forrest D.J., Ryan J.M. et al. A direct observation of solar neutrons following the 01:18 UT flare on 1980 June 21 // Astrophys. Journal. 1982. V. 263. P. 95-99.

Chupp E.L. Solar neutron observations and their relation to solar flare acceleration problems // Solar Physics. 1988. V.118. P.137-154.

Lin R.P., Dennis B.R., Hurford G.J. et al. The Reuven Ramaty High-Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI) // Solar Physics. 2002. V.210. P.3-32.

Kuznetzov S.N., Kudela K., Myagkova I.N., et al. First experience with SONG-M measurements on board CORONAS-F satellite // Indian J. Radio Space Physics. 2004. V.33. P.353-357.

Kuznetsov S.N., Kurt V.G., Yushkov B.Yu., Myagkova I.N., Kudela K. // Gamma-ray and high energy particle measurements of the solar flare 28 October 2003 on board CORONAS-F // Solar Phys. 2005a, (in press).

Kuznetsov S.N., Kurt V.G., Yushkov B.Yu. et al. 28 October 2003 Flare: High-Energy Gamma Emission, Type II Radio Emission and Solar Particle Observations // Int. J. Modern Phys. A, 2005b, (in press).

Hurley K.C., Kurt V.G., Li P., Barat C., Niel M., Talon R. Directivity of 100-500 keV solar flare hard X-ray emission// Ap. J.1994. V.426. P.758-766

Panasyuk M.I., Bogomolov A.V., Bogomolov V.V et al. Background fluxes of neutrons in near-space: experimental results of SINP. Preprint SINP MSY 2000-9/613. Moscow. 2000

Plainaki C., Belov A.V., Eroshenko E.А., Kurt V.G, Mavromichalaki E. and Yanke, V. Unexpectable burst of solar activity recorded by neutron monitors during October- November 2003, 2004. Paper D1.2-0032-04, 35 th COSPAR Scientific Assembly (Paris).

Ramaty R., Mandzhavidze N. Theoretical models for high-energy solar flare emission // J.M. Ryan, W.T. Vestrand (Eds.), AIP Conference Proceedings, no. 294, "High Energy Solar Phenomena, New Era of Spacecraft Measurements, American Institute of Physics, New York, USA, 1994, P. 26-44.

Trottet G. X-ray and gamma-ray observations of solar flare by Granat, ibid P. 3-14.

Schneid E.J. et al., High energy gamma-ray observations of solar flare by EGRET, ibid P. 94-99.

Vesrand W.T., Share G.H., MurphyR.J., Forrestd.J, Rieger E., Chupp E.L., Kanbach G. The Solar Maximum Mission Atlas of Gamma-Ray Flares // Ap. J. 1999. Suppl. ser. V.120. ?2. Р.409-464.

Watanabe K., Muraki Y., Matsubara Y. et al. Solar Neutron Event in Association with a Large Solar Flare on August 25, 2001 // Рroc. 28th Int. Cosmic Ray Conf., 2003. V. SH. P.3179-3182.

Yoshimori M., Okudara K., Hirasima Y. et al. Gamma-ray observation from Hinotori // Solar Phys. 1983. V.86. P.375-382

 

 

Таблица 1. Вспышки гамма-излучения, зарегистрированные прибором СОНГ в 2001-2004 гг.

Solar gamma-rays and neutrons detected by SONG instrument during 2001-2004 years.

 

S. N. Kuznetsov, V. G. Kurt, I. N. Myagkova, B. Yu. Yushkov, K. Kudela  

 

 

Abstract.

During the first 3.5 years CORONAS-F satellite fly 28 flare with gamma-emission (with the energy more then 500 keV) were detected by SONG-instrument. Intensities of these flares in soft x-ray were equal М1.4 ¸ Х28 in agreement with GOES classification. In 16 flares the gamma-emission with the energy more then 4 MeV was detected. Gamma-emission with energies >60 MeV was detected in the flares 25 August 2001, 28 October 2003 and 04 November 2003. The enhancement in neutron channels of SONG instrument (intended for neutron with the energies >20 MeV measurements) were detected during the same three flares. We estimated the energy of detected neutrons using the time of flight from the Sun to the Earth. Time dependencies of SONG neutron enhancements were compared with data of ground level neutron monitors, which were able to detect solar neutrons. We detected some series of flares connected with the same active regions. Such series of flares were observed, for example, during the second half of August 2002 (АR NOAA 0069), last days of May 2003 (АR 0365) and famous period of extreme solar activity in October- November 2003 (АR 0486 and АR 0501). SONG gamma flare catalogue can be useful for future statistical studies of solar flares.