Статья опубликована в журнале «Наука в России», т.4, 2002, стр 4-11
СОДЕРЖАНИЕ: — Активные процессы в атмосфере Солнца — Изотопный состав солнечных космических лучей — Радиоактивное Солнце — Гамма вспышки в атмосфере Солнца — Синтез дейтерия на Солнце и состояние солнечной плазмы в период вспышки — Нейтронная корона Солнца
Активные процессы в атмосфере Солнца
Рис.1 Солнечная вспышка 15 июня 1991г. Светлые пятна над поверхностью светила — выброс его вещества. Петлеобразные структуры — вспышечная плазма в магнитном поле.
В дальнейшем стало ясно, что так называемая хромосферная вспышка простирается далеко за пределы собственно хромосферы, охватывая области более низкие — фотосферу Солнца и области более высокие — корону Солнца. В настоящее время употребляют термин — солнечная вспышка. При этом по выделившейся во время вспышки энергии можно создать классификацию вспышек. Так по яркости вспышки в оптическом диапазоне излучения разработана одна из первых классификаций, получившая название балл вспышки. Частота вспышек разной бальности также испытывает 11 — летнюю цикличность. Выделение во вспышках колоссальной энергии происходит различным способом. Как в виде газодинамических движений плазмы солнечной атмосферы, так и в виде электромагнитного излучения в широчайшем диапазоне — от радиоволн до гамма-квантов с энергией в сотни миллионов электрон — вольт и генерации частиц солнечных космических лучей (СКЛ) с энергией до десятков миллиардов электрон-вольт, (энергетический спектр СКЛ). Относительная концентрация разных ядер в СКЛ определяется тремя условиями: химическим составом атмосферы Солнца, особенностями процесса ускорения и ядерными реакциями между ускоренными частицами и веществом солнечной атмосферы. К настоящему времени в различных по энергетике (как принято у специалистов по бальности) вспышках, возникающих в разных по мощности активных процессах в солнечной атмосфере, эксперимент ально наблюдались ядра элементов от водорода до железа, (зарядовый спектр СКЛ). Естественно, что абсолютный поток энергичных частиц и диапазон энергетического спектра СКЛ связаны с мощностью вспышки. Но всегда волновал вопрос. Неужели большие потоки ускоренных частиц от солнечной вспышки возникают внезапно, и не предваряются менее значительными, как по величине, так и по диапазону энергий, потоками частиц?
Предвспышечные возрастания частиц в межпланетном пространстве
Рис.3 Пример предвспышечного возрастания потока малоэнергичных частиц в межпланетном пространстве, зарегистрированного ИСЗ «Прогноз» 29 октября 1972г. Скорости счета протонов с энергией 1-30 МэВ. Внизу — движение по диску Солнца активной области, связанной с предвспышечным возрастанием.
Обнаружение явления предвспышечного возрастания частиц малых энергий подтвердило мнение многих исследователей Солнца о том, что процессы ускорения частиц в атмосфере Солнца протекают практически непрерывно. Варьируется лишь мощность активного процесса. Поэтому понятия «спокойное» или «активное» Солнце относительны и не точно отражают реальную жизнь Солнца.
Изотопный состав солнечных космических лучей
Естественно, было ожидать, что результатом ядерных превращений будет присутствие среди энергичных частиц от солнечной вспышки не только стабильных изотопов различных ядер, но и радиоактивных изотопов. Конечно, из всех генерированных радиоактивных изотопов наблюдать на орбите Земли можно лишь такие, период полураспада которых достаточно велик, не меньше нескольких суток.
Во время гамма-спектрометрического исследования в 1990 году состояния пластин из различных материалов, которыми был покрыт цилиндр длиной 9 метров и диаметром 3 метра, (эксперимент LDEF) американские ученые обнаружили большую концентрацию Ве-7. До этого почти 6 лет цилиндр провел в открытом космосе, на высоте в среднем 350 км. В течение всего времени полета его положение в пространстве было строго сориентировано. Распределение радиоактивного бериллия было необычным. Большая концентрация наблюдалась лишь на тех пластинах, которые находились на передней по вектору скорости стороне. Из этого вытекало, что радиоактивный бериллий был в тепловом равновесии с веществом верхней атмосферы Земли и просто собирался, прилипал, к пластинам. Как это могло произойти? Откуда в верхней атмосфере Земли появился радиоактивный бериллий. Атмосфера Земли — гигантская ловушка солнечных частиц
Во — первых он может возникать в земной атмосфере в результате ядерных взаимодействий галактических космических лучей с кислородом и азотом атмосферы Земли. В этом случае его концентрация в атмосфере должна испытывать временные вариации характерные для галактических космических лучей, то есть быть в антикорреляции с солнечной активностью. Во — вторых он может возникать также как результат ядерных взаимодействий, но при вторжении в земную атмосферу солнечных энергичных частиц от вспышек. Тогда его концентрация должна, наоборот, быть в прямой корреляции со вспышечной активностью Солнца.
Но Ве-7, зарегистрированный на высотах спутников в земной атмосфере, может иметь солнечное происхождение ещё и по другому каналу. Как следовало из детальных расчетов, проведенных независимо нами и специалистами из НАСА, концентрация бериллия в атмосфере Солнца, возможно, вообще определяется радиоактивным изотопом Ве-7. В этом случае он будет присутствовать в солнечном ветре, вместе с ним достигать орбиты Земли и проникать через полярные области в её верхнюю атмосферу. Представляется, что выбрать между первыми двумя гипотезами и вторыми двумя можно, если бы удалось наблюдать в земной атмосфере элемент, который возникнуть в ней в результате ядерных реакций между галактическими или солнечными космическими лучами и элементами атмосферы Земли, не может. Таким элементом вполне может быть радиоактивный Со-56, который, кстати, мы выше уже обращали на это внимание, также очень эффективно должен образовываться среди вторичных изотопов СКЛ.
Современная космология утверждает, что химические элементы тяжелее гелия возникли, и возникают периодически и сейчас, при взрывах так называемых сверхновых звезд. Лишь элемент литий, возможно, также частично образовался во время Большого взрыва. Тем поразительнее обнаружение того факта, что в атмосфере такой рядовой звезды как Солнце (при этом надо помнить, что Солнце является типичным представителем звездного населения Галактики) может происходить переработка изотопного состава первичного вещества. В области легких и редких ядер этот процесс будет наиболее эффективным.
Радиоактивное Солнце
Многочисленные определения химического состава атмосферы Солнца обнаружили странный на первый взгляд факт. По существующим представлениям о естественной распространенности химических элементов такого элемента как бериллий в атмосфере Солнца должно быть меньше чем такого элемента как литий. В тоже время для солнечной атмосферы это не так. В ней бериллия не только не меньше чем лития, но соотношение концентраций этих химических элементов меняется. И меняется, по-видимому, в согласии с циклом солнечной активности. Когда активность высокая (в этом случае много различных по мощности вспышек), отношение концентраций бериллия к литию явно больше единицы. При уменьшении солнечной активности соотношение концентраций этих элементов уменьшается. И тот, и другой факт можно понять, лишь учитывая возможность образования этих элементов в солнечной атмосфере. При этом ясно, что концентрация образующихся элементов будет меняться с циклом активности, если они не только эффективно возникают за короткое время, но и могут разрушаться за время сравнимое с циклом активности.
Среди всех элементов, составляющих солнечную атмосферу, элемент гелий по своему обилию уступает лишь водороду. Он представлен в природе двумя изотопами. Не-4 наиболее распространенный и более редкий Не-3. При взаимодействии двух ядер Не-4 между собой могут образоваться изотопы лития и изотоп бериллия, Ве-7. Другие, более тяжелые, изотопы бериллия не образуются. Реакция образования Ве-7 при взаимодействии изотопов Не-4 и Не-3 существенна потому, что это так называемая экзотермическая (то есть энергетически беспороговая) реакция. Она может протекать фактически даже при нулевой энергии взаимодействия. И хотя Не-3 гораздо менее обилен в природе, в частности в атмосфере Солнца, чем Не-4, а вероятность этой реакции не велика, ролью этой реакции пренебрегать нельзя. Поскольку, благодаря ей, свой вклад в полную концентрацию радиоактивного изотопа бериллия, Ве-7, вносят активные процессы на Солнце практически любой мощности. То есть можно считать, что радиоактивный бериллий, изотоп Ве-7 (и только он) непрерывно образуется в атмосфере Солнца. Его концентрация может определить полную концентрацию элемента бериллия на Солнце. С другой стороны из-за того, что Ве-7 имеет сравнительно небольшое время жизни (около двух месяцев), при изменении солнечной активности в процессе 11- летнего цикла его концентрация будет уменьшаться.
Надо заметить, что окончательно роль радиоактивного изотопа Ве-7 для солнечной атмосферы и для межпланетной среды будет выяснена, когда его уверенно зарегистрируют в солнечном ветре. Ядерные реакции синтеза элементов при малых энергиях взаимодействия оказываются чрезвычайно важными не только при рассмотрении вопросов образования химических элементов в природе, в частности в атмосферах звезд и нашего Солнца. Поскольку, как правило, синтезированное ядро оказывается возбужденным, то реакции синтеза элементов являются одним из важнейших источников гамма-излучения от Солнца.
Гамма вспышки в атмосфере Солнца
Первый успешный теоретический анализ гамма-излучения от солнечной вспышки, получивший на редкость точное экспериментальное подтверждение в американском космическом эксперименте при наблюдении гамма-излучения от мощных солнечных вспышек в августе 1972 года, был выполнен в Институте ядерной физики МГУ в 1967 году. К настоящему времени гамма-кванты от многих солнечных вспышек (солнечная гамма вспышка) наблюдались в околоземном космическом пространстве.
Рис. 5 Солнечная гамма-вспышка. Спектр гамма-излучения, полученный одновременно аппаратурой с космических кораблей «Венера — 13«(1) и «Венера — 14» (2). Хорошо видно, что в районе энергий квантов 0,4 — 0,6 МэВ нарушается обычный (степенной) вид спектра гамма-излучения. Это связанно с «включением » другого механизма генерации гамма-квантов.
Кроме непрерывного гамма-спектра от солнечных вспышек хорошо наблюдается дискретный спектр гамма-излучения. Он формируется за счет гамма-излучения возбужденных ядер элементов, составляющих солнечную атмосферу и за счет аннигиляционного излучения. Это один из самых мощных источников солнечного гамма-излучения в дискретном диапазоне энергий. И в теоретическом и в экспериментальном аспекте здесь давно и успешно работают ученые ряда ведущих российских институтов — таких как Институт космических исследований РАН, Московский инженерно — физический институт, Санкт — Петербургский Физико-технический институт РАН, Институт ядерной физики МГУ.
Например, при взаимодействии ядер углерода и кислорода синтезированные изотопы (кремний, алюминий, неон, магний, натрий и.т.д. ) излучают в диапазоне энергий от 0,4 МэВ до 3 МэВ около 100 различных по энергии квантов. Плотность «заполнения» квантами этого энергетического диапазона при этом столь велика, что вполне уместно говорить о генерации квазинепрерывного гамма-спектра в процессе синтеза элементов.
Синтез дейтерия на Солнце и состояние солнечной плазмы в период вспышки
В настоящее время гамма-излучение, генерированное при радиационном захвате нейтрона водородом, хорошо регистрируется аппаратурой, устанавливаемой на космических кораблях и спутниках. Используя его, уже удалось в ряде случаев установить распределение плотности солнечной плазмы по глубине. Стало ясно, что во время солнечной вспышки распределение солнечной плазмы по глубине отличается от так называемой стандартной модели Солнца. В плазме возникают локальные уплотнения. При этом они возникают как под фотосферой так и над ней. Конечно, радиационный захват нейтрона может происходить не только на ядрах водорода. На ядрах более тяжелых элементов этот процесс идет даже более эффективно. Экспериментальные трудности здесь связаны с меньшими чем водород концентрациями этих элементов на Солнце.
Нейтронная корона Солнца
Регистрация высокоэнергичных нейтронов от взаимодействия галактических космических лучей с солнечной атмосферой открывает нам уникальную возможность зондировать пространство буквально вблизи самого Солнца, то есть тех мест, куда никакой космический корабль никогда приблизиться не сможет. Что мы могли бы узнать, регистрируя высокоэнергичные нейтроны от спокойного Солнца? Дело в том, что поток таких нейтронов определяется интенсивностью галактических космических лучей вблизи солнечной поверхности. Величина её нам совершенно не известна. Между тем ясно, что магнитное поле Солнца будет существенно уменьшать интенсивность галактических космических лучей, способных проникнуть к её поверхности, по сравнению с их интенсивностью в межзвездном пространстве. Кроме того, длительная регистрация релятивистских нейтронов от спокойного Солнца позволит определить величину модуляции интенсивности галактических космических лучей в центральной области гелиосферы.