Раскрыта природа загадочного гамма-излучения в солнечных вспышках с энергией в миллионы электронвольт
Учёные раскрыли природу высокоэнергетических частиц, ответственных за гамма-излучение во время мощных солнечных вспышек. Речь идёт о ранее не выделявшейся популяции электронов с энергиями в несколько мегаэлектронвольт, локализованной в короне Солнца. Результаты работы могут существенно уточнить физические модели солнечных вспышек и прогнозирование космической погоды.
Исследование выполнила группа из Центра солнечно-земных исследований Технологического института Нью-Джерси (NJIT-CSTR), проанализировав данные одной из самых сильных вспышек солнечного цикла — события класса X8.2, произошедшего 10 сентября 2017 года. Во время этой вспышки в верхних слоях солнечной атмосферы была зафиксирована компактная область, содержащая триллионы электронов с энергиями порядка 2–6 МэВ. Для сравнения, энергия типичных электронов солнечных вспышек на два–три порядка ниже, несмотря на то что сами они также движутся с релятивистскими скоростями.
Долгое время оставалось неясным, какие именно частицы являются источником гамма-излучения в диапазоне мегаэлектронвольт, наблюдаемого при крупных вспышках. В новой работе учёные показали, что этот сигнал может быть объяснён «тормозным излучением» — процессом, при котором высокоэнергетические электроны испускают гамма-кванты при столкновениях с веществом в солнечной атмосфере.
Ключевым элементом исследования стало совмещение данных гамма-телескопа Fermi (GBM) NASA и массива из 15 радиотелескопов Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) в Калифорнии. Fermi зафиксировал временную эволюцию гамма-излучения, а EOVSA позволил получить детальные микроволновые карты короны, чувствительные к присутствию ускоренных электронов. Сопоставление этих наблюдений выявило область в короне, где микроволновое и гамма-излучение пространственно совпадают.
Анализ микроволнового спектра показал, что в этой зоне — обозначенной как ROI 3 — доминирует необычная популяция электронов, энергетический спектр которой имеет максимум в области нескольких МэВ. Это резко отличается от стандартного распределения электронов солнечных вспышек, где количество частиц быстро падает с ростом энергии. Область ROI 3 расположена рядом с зоной интенсивного высвобождения магнитной энергии и ускорения частиц, что указывает на важную роль процессов переноса и перераспределения энергии в короне.
Авторы рассмотрели несколько возможных сценариев происхождения этих электронов, включая распад радиоактивных ядер, особый механизм ускорения и эволюцию обычных электронов вспышки. Наиболее согласованным с наблюдениями оказался последний вариант: низкоэнергетические электроны быстро теряют энергию из-за столкновений и «выбывают» из распределения, тогда как более энергичные частицы сохраняются дольше. Так, время потери энергии для электронов с энергией около 1 МэВ составляет порядка 30 секунд, тогда как для электронов с энергиями в несколько МэВ — до двух минут, что приводит к формированию «усечённого» спектра, доминирующего в гамма-диапазоне.
Работа даёт первое прямое наблюдательное подтверждение существования такой высокоэнергетической электронной популяции в короне Солнца и проясняет механизм формирования гамма-излучения во время мощных вспышек. Это, в свою очередь, важно для более точного моделирования солнечной активности и её воздействия на околоземное пространство.
В ближайшие годы возможности подобных исследований расширятся: массив EOVSA модернизируется до конфигурации EOVSA-15 за счёт добавления новых антенн. Это позволит измерять поляризацию микроволнового излучения и определить, состоят ли обнаруженные высокоэнергетические частицы исключительно из электронов или в процесс вовлечены также позитроны.