На Гинзбурговской конференции, проходившей в ФИАНе летом 2012 г., с большим интересом был встречен доклад Г.Д.Флейшмана (New Jersey Inst. of Technology), посвящённый расчётам космического магнитного тормозного излучения (с соавторами). Представленные работы позволяют многое понять в механизмах солнечных вспышек, определяющих космическую погоду в Солнечной системе.
В докладе «Peculiarities of Rare Ions Acceleration by Helical Turbulence in Solar Flares» (Особенности ускорения редких ионов спиральной турбулентностью в солнечных вспышках, Г.Флейшман, И.Топтыгин) профессор И.Топтыгин, рассматривал механизм ускорения ионов в солнечных вспышках за счет гиротропной турбулентности, который впервые предложил Кичатинов, в 1983 году, для объяснения происхождения галактических космических лучей. В данной теории есть один ключевой параметр, который очень плохо известен, - это, так называемый, параметр кинематической гиротропии.
Г. Флейшман с И.Топтыгиным обратили внимание на то, что солнечные вспышки очень часто происходят в непотенциальных скрученных магнитных полях. В этом случае из уравнений магнитной гидродинамики можно вычислить параметр кинематической гиротропии турбулентности. Вычислив его, можно количественно проследить влияние этой гиротропии на свойства ускоряемых ею заряженных частиц. Как оказалось, учет этой непотенциальности магнитного поля и индуцируемой ею относительно слабой гиротропии турбулентности позволяет весьма элегантно объяснить целый ряд явлений, которые раньше трудно поддавались объяснению. Среди них загадка почти полувековой давности: благодаря какому механизму импульсные солнечные вспышки обогащаются очень редкими изотопами, такими, например, как гелий-3. В модели Флейшмана и Топтыгина это обогащение возникает естественно и непринужденно. Кроме того, появляется целый ряд других интересных моментов, например, можно получить коллимированные пучки. Можно получить диффузию частиц, зависящую от их заряда, в отличие от обычного стохастического ускорения, ну и некоторые другие вещи.
В докладе «Cosmic Magnetobremsstrahlung: Fast Computing Codes and 3D Modeling Tools» (Быстрые коды расчёта космического магнитного тормозного излучения и инструменты 3D моделирования) излагается несколько иная тема, хотя так же имеющая отношение к солнечным вспышкам. Здесь речь идет о том, как по наблюдениям радиоизлучения солнечной короны во время вспышек можно определить трехмерную структуру магнитных полей, распределение корональной плазмы, распределение и эволюцию ускоренных частиц, в первую очередь, – ускоренных электронов.
Одна из проблем, которая не позволяла даже приблизиться к её решению, – это расчёт гиросинхротронного излучения в магнитном поле, в режиме, который имеет место на Солнце. Это - излучение полурелятивистских частиц, точнее, – умеренно релятивистских. Известные до сих пор приближения, которые опубликованы в работах В.Л.Гинзбурга и С.И.Сыроватского, справедливы лишь для ультрарелятивистских частиц, тогда как для умеренно релятивистских частиц они неприменимы. Поэтому, до самого последнего времени, требовались очень длительные компьютерные вычисления, что существенно ограничивало построение реалистических трехмерных моделей.
В 2010 г. Г.Флейшман со своим соавтором из Иркутска Алексеем Кузнецовым, из Института Солнечно-Земной Физики, разработали так называемые быстрые гиросинхротронные коды. Эти коды основываются на детальном анализе структуры упомянутых интегральных выражений, который позволил аналитически вычислить часть интегралов, которые раньше вычислялись численно. В результате получился однократный интеграл, который численно берется гораздо быстрее. Например, если для вычислений по стандартным формулам требуется одна минута, то при использовании быстрых гиросинхронных кодов этот расчёт, при тех же условиях, длится десять миллисекунд. По словам Г.Флейшмана, это – прорыв сразу на много порядков.
Имея такой инструмент, становится возможным, во-первых, строить трехмерные модели, которые включают в себя много лучей зрения и интегрирование вдоль каждого луча зрения. Также, это позволило подойти к решению обратной задачи, т.е. фитировать наблюдаемые спектры по физической, а не искусственной пробной функции. То есть, – настоящей функции, описывающей настоящий спектр гиросинхротронного излучения, которая зависит от магнитного поля, спектрального индекса и других физических параметров. Примечательно, что всё это работает не только для изотропных распределений, но и для анизотропных.
Полученный инструментарий был реализован в виде пакета программ, которые работают как компьютерная игра, где с помощью манипуляции мышью можно вкладывать в трехмерные модели очень сложную физику, там же сравнивать ее с наблюдениями, делать это в разных частотных диапазонах: в радио-, в рентгеновском, в ультрафиолетовом – везде, где есть наблюдения. Использование такого пакета программ делает сложнейшее реалистическое трехмерное моделирование доступным практически каждому пользователю, например, студенту первого-второго курсов или даже школьнику. Все эти методики и программные продукты открыты для всех; ими можно воспользоваться всем желающим.
В. Жебит, АНИ «ФИАН-Информ»
29.01.2013
