Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН) является одним из ведущих мировых центров в области физики Солнца. В институте ведутся как теоретические, так и экспериментальные исследования, а также реализуется ряд космических проектов – российских и международных. С 1957 года (запуск Спутника-2) по настоящее время в ФИАН было создано около 30 отдельных приборов и комплексов солнечных инструментов, которые работали за пределами атмосферы Земли на борту искусственных спутников Земли и геофизических ракет. Последним заметным успехом института стал проект ТЕСИС (TESIS) – комплекс космических телескопов для исследования Солнца, который около года успешно работал на борту российского спутника Коронас-Фотон (Coronas-Photon). Ответить на вопросы ФИАН-Информ дал любезное согласие главный научный сотрудник Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН, доктор физ.-мат. наук Сергей Александрович Богачев.

    Сергей Александрович, кратко, – о наиболее актуальных задачах в работе солнечной лаборатории ФИАНа…

   Около 8 лет назад Роскосмосом и Российской академией наук была утверждена программа по запуску научных приборов на малых космических аппаратах (всего было предусмотрено 5 таких спутников), один из которых «отдали» ФИАНу. Это, действительно, небольшой спутник, размером примерно с письменный стол, на котором может быть размещено оборудование с весом до 50-100 кг. Подобная программа давно существует в НАСА и называется SMEX (Small Explorer). Кто работает по физике Солнца, знают, по крайней мере, 3 очень известные солнечные космические обсерватории этого проекта – TRACE (Transition Region and Coronal Explorer), RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) и IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph). Последний был запущен менее года назад. Это спутники очень известные, и кто-то, возможно, подумает, что это большие космические аппараты, однако, это маленькие спутники, которые дают весьма успешные результаты – сотни статей по каждому прибору.

    Вот и у нас в стране появилась такая программа и, как я сказал, на одном из её спутников аппаратуру разместит ФИАН.

    Какие новинки будут использованы в этом проекте?

    Для этой программы мы в ФИАНе предложили уникальный для нашей страны прибор – так называемый телескоп-лупа. Обычно, при работе солнечной обсерватории наблюдается полный солнечный диск, который фотографируется с помощью так называемой ПЗС матрицы. Поскольку число ячеек на ПЗС матрице ограничено, то, поделив размер Солнца на число ячеек, можно получить максимальное пространственное разрешение, которое может быть достигнуто таким способом.  Сейчас, в частности, на Солнце наблюдают детали размером около 500 километров – такую точность, например, дает новейшая солнечная обсерватория НАСА СДО. Наш телескоп будет наблюдать не всё Солнце, а, примерно, 1/4 часть солнечного диска. А кроме этого, в конструкции телескопа мы планируем использовать ПЗС матрицу размером более 6000 х 6000 пикселей (такого размера матрицы для работы с Солнцем в космосе ещё не летали). Все это в совокупности позволит нам наблюдать на Солнце детали размерами порядка 100 км.

    Эта идея не является фантастической, что, в частности, демонстрируется следующим фактом. Год назад ФИАН участвовал в проекте НАСА Hi-C Rocket, где запускался не спутник, а геофизическая ракета с научным прибором. Так вот, данный научный прибор был построен по такой же концепции, хотя и имел ПЗС меньшего размера, и он дал около 100 фотографий Солнца с разрешением около 150 км. По этим данным уже вышла статья в «Nature», а в течение года уже вышло 6 статей в «Astrophysics Journal» – ведущем журнале по астрофизике. То есть видно, что современная оптика и электроника позволяют добиваться таких точностей, а также видно, что интерес к таким наблюдениям – колоссальный. Хочу отметить особо, что мы делаем не ракету – мы делаем спутник, который сможет получить до миллиона фотографий.

    Какие проблемы приходится решать в связи с внедрением этих разработок?

    Сложностей с финансированием в настоящее время нет. Проект сейчас, за два года до окончания договора, профинансирован приблизительно на 78 % от полной стоимости прибора. В целом эта сумма позволяет произвести закупки, заключить контракты с соисполнителями, а также профинансировать собственные работы. Единственное, над чем приходится думать, это как организовать работы после 2015 года. Дело в том, что в 2015 году заканчивается текущая Федеральная космическая программа (ФКП), и принимается новая. Соответственно, приходится уже сейчас озадачиваться вопросом о правильной организации работ по проекту после 2015 года. Дело в том, что особенностью данной разработки является то, что прибор делается опережающими темпами по отношению к изготовлению космической платформы. Соответственно, для нас очень важно, чтобы наш контрагент, НПО им. С.А. Лавочкина, в рамках новой ФКП сделал для нас платформу, либо чтобы Роскосмос нашел для нашей аппаратуры иную возможность для запуска. В целом, я не думаю, чтобы прибор стоимостью около 150 миллионов с уникальными характеристиками, позволили положить на полку. Но некоторое беспокойство по поводу того, как будет решен вопрос с его запуском, естественно присутствует.

    Частично это волнение связано не только с прибором, но и с физикой Солнца вообще. Дело в том, что в Федеральной космической программе других солнечных обсерваторий со сроком запуска до 2020 года просто нет. Поэтому давит некоторая ответственность за то, чтобы сохранить это направление для страны и суметь все эти вопросы по запуску своевременно решить.

    В случае успеха, как будет выглядеть план реализации проекта?

   Планы у нас следующие. В этом году мы должны будем выпустить технологические образцы научной аппаратуры для космической обсерватории. Это – образцы, аналогичные лётному экземпляру в части электроники и управления, но некоторых критических узлов в них нет: например, зеркал, тонких фильтров и т.п. Они там просто не нужны, но по электронике это довольно точная копия лётного прибора.

    В 2015 году мы должны поставить лётную аппаратуру. Соответственно, мы надеемся, что к 2017 году будет готова платформа, и состоится запуск. С ним мы связываем большие надежды. 

    Какие ещё проекты с вашим участием сегодня можно считать актуальными?

   Мы работаем по многим направлениям, например, есть предложение по участию в проектах Международной космической станции (МКС). Очень важный для нас проект – Интергелиозонд, единственным недостатком которого я бы отметил очень удаленный срок запуска – ждать его придется не менее 10 лет. Но вот этот проект – АРКА – я считаю революционным. Если мы преодолеем технические и политические сложности и запустим обсерваторию, то это будет очень большим движением вперед – для нас, для института, для физики Солнца, да и для репутации науки в России, в целом.

    Почему в науке о Солнце сегодня стремятся добиться высокого разрешения и  почему тот проект, который вы делали с американцами, столь важен? 

   Многие процессы на Солнце, такие как нагрев солнечной короны, ускорение солнечного ветра и прочее, пока не имеют объяснения. Считается, что это оттого, что мы просто не способны разглядеть их причины – они лежат не в крупномасштабной физике Солнца, а в неких микропроцессах. Согласно этому представлению, на Солнце помимо крупной активности – главным образом, вспышек, – есть непрерывно работающие механизмы мелкомасштабной активности. Как полагают, они происходят на масштабе 100 – 150 км. Если наблюдать Солнце с таким разрешением, то можно получить возможность не просто теоретизировать, а прямо видеть эти микрособытия. Если это удастся, то тот миллион изображений, который мы получим и предоставим научной общественности, позволит очень сильно расширить границы наших знаний. Пусть это громко звучит, но мы хотим заложить экспериментальные основы новой физики Солнца.

    Есть мнение, что при достаточно мощных вспышках на Солнце могут выйти из строя до 80 % спутников на орбите Земли, что грозит коллапсом наземным системам управления…

    Научное наблюдение вспышек ведётся всего лет 20, т.е., когда говорят о самой большой вспышке в истории, то эта история – всего 20 лет. Существуют исторические сведения о более мощных событиях, в частности много говорят о вспышке Керрингтона в 1859 году, но надо понимать, что это событие не было калибровано, т.е. нельзя сказать, насколько оно было мощнее современных событий. За последние 20 лет на Солнце супервспышек, которые привели бы к техногенной катастрофе планетарного масштаба, не происходило. Про прошлое же мы знаем очень мало. Надо понимать, что и история электричества и спутников очень короткая, поэтому достоверных исторических сведений в этой области просто не может быть. Единственным источником знаний сейчас, пожалуй, является геология.

    В целом же здесь нет консенсуса, каждый учёный занимает свою позицию. Можно сказать, что Солнце – звезда карлик и супервспышки производить не может, а можно сказать, что нам просто пока везет.

     Но пока у нас нет программ, учитывающих подобные катастрофы?

   Дело в том, что от этого нельзя защититься. Сейчас многие говорят об астероидной опасности. Но за метеоритами можно наблюдать, а дальше что? От метеорита защититься невозможно, если он летит, – от него не спасёшься. Все высказывания насчёт подрыва метеоритов ядерными зарядами красивы на бумаге, но очень сильно оторваны от реальных технических возможностей.

   Одна крупная солнечная вспышка – это энергия, равная той, которую человечество потребляет за миллион лет. Конечно, не вся она доходит до Земли, но все равно энергетика космической погоды огромна. И чтобы этому противостоять, нужна энергия сравнимая с этим количеством. А такой энергии мы выработать единовременно не можем. Сейчас задачи ставятся более скромные – научиться давать прогноз с хорошей точностью Это задача очень важная и для систем связи и для пилотируемой космонавтики. Решим ее – можно будет двигаться дальше.

    Вероятно, здесь речь может идти лишь о каких-то программах восстановления после таких катастроф…

   Единственное реальное, что можно сделать, – это отключать земные системы на период вспышки. Уверяю, что если у вас мобильный телефон лежит на столе, то никакая магнитная буря ему не страшна. А вот компьютер, включенный в сеть, может быть, теоретически, поврежден. Другими словами воздействие идет не на приборы, а на сети. Поэтому, если сети на время вспышки обесточивать, то они не пострадают. Труднее со спутниками, – их отключить невозможно.

    А прямое воздействие солнечной радиации на приборы спутников?

   Солнце, помимо тепла и света, является источником жестких излучений и тяжелых частиц, которые по своему воздействию на технику и живые организмы сравнимы с воздействием атомных взрывов. От излучений Солнца биологические объекты на Земле не страдают, потому что эти излучения поглощаются атмосферой. Часто говорят, что щитом является магнитное поле Земли. Это так, но этот щит отклоняет только частицы (они потом высыпаются у полюсов), а жесткое излучение блокируется именно атмосферой на высоте около 30 км. Тем не менее, можно вообразить всплески такой силы, что они полностью ионизуют атмосферу Земли, либо будут иметь такой жесткий спектр, что он проникнет до поверхности. Я, тем не менее, не верю, что звезды солнечного типа способны на такие события, но есть и другие точки зрения на этот счет.

В. Жебит, АНИ «ФИАН-информ»

    Мало какое из небесных тел может похвастаться столь пристальным вниманием человечества, как Солнце. И все-таки, ученые до сих пор так и не смогли до конца разгадать причины появления одного из наиболее загадочных явлений – вспышек на Солнце.. Разгадать – значит не только понять физику исследуемого явления, но и уметь предсказывать появление вспышек и их мощность, а, следовательно, и последствия для Земли. В работах по моделированию солнечных вспышек ученые ФИАН совместно с коллегами из Института астрономии РАН (ИНАСАН) приблизились к решению одной из важнейших для человечества проблем.

    Пожалуй, Солнце является одним из самых притягательных для исследования объектов. Столь пристальное внимание естественно, ведь влияние солнечной активности на Землю очень велико.

    Поясняет ведущий научный сотрудник лаборатории физики Солнца и космических лучей ФИАН А.И. Подгорный: «Солнечная вспышка представляет собой сложное физическое явление. Энергия вспышки высвобождается сразу несколькими путями: это и нагрев плазмы до высоких температур и формирование рентгеновского излучения, и образование так называемых солнечных космических лучей – релятивистских протонов с энергией до 20 ГэВ. Важным проявлением вспышки являются также выбросы вещества, масса которых достигает 10¹⁶ грамм, а скорость – 1000 км /c. Корональный выброс, достигая орбиты Земли, вызывает возмущение магнитосферы нашей планеты – возникают магнитные бури и полярные сияния, нарушается радиосвязь, происходят аварии в системах энергоснабжения. Долговременный прогноз этих явлений требует понимания процессов, происходящих на Солнце.»

Наибольший интерес для исследования представляют наиболее мощные вспышки класса Х, при которых мощность излучения, приходящегося на 1 см² Земли, достигает 0,1 эрг/с и выше. Ученые, однако, так до сих пор и не могут сказать, какие же условия необходимы для возникновения крупных вспышек, не говоря уже о возможности их предсказания.

    А.И. Подгорный: «Наша цель – понять механизм солнечной вспышки, понять, что ей предшествует и что происходит на Солнце непосредственно во время вспышки.

    В основном, в настоящее время ученые решают эту задачу «от обратного», т.е. на основании той или иной теории строится модель вспышечного процесса, а затем путем наблюдений оценивается ее соответствие реальной ситуации. Мы же пытаемся моделировать механизм солнечной вспышки, не делая никаких предварительных предположений, только исходя из наблюдений. Это позволяет нам изучать реальный механизм вспышки»

    Необходимо понять каким образом происходит накопление энергии для вспышки. В настоящее время обсуждается несколько основных возможных механизмов вспышек:

– рассмотренная советским ученым С. И. Сыроватским возможность накопления энергии в магнитном поле так называемого токового слоя;

– образование и выброс магнитного жгута;

– мощный импульсный разряд – пинч;

– аннигиляция сильно скрученных линий магнитного поля.

    Совместная группа ученых ФИАН и ИНАСАН предложила свою модель, в основе которой лежит механизм пересоединения магнитных линий, а также идеи С.И. Сыроватского о медленном накоплении энергии в токовом слое до некоего критического значения с последующим взрывным высвобождением. Численное моделирование показало, что вспышка происходит не на поверхности Солнца, а в токовом слое, расположенном в короне. В ходе наблюдений, а также моделирования предвспышечных и вспышечных процессов, удалось выявить закономерность между величиной магнитного поля активной области и возможностью возникновения вспышки класса Х: величина магнитного потока активной области должна перейти пороговое значение в 10²² Мкс. Однако, анализ магнитных потоков в мощных активных областях показывает, что это условие является необходимым, но не достаточным. Магнитный поток активной области может превзойти 10²² Мкс, но большая вспышка так и не произойдет.

    В результате дальнейшего моделирования было показано, что еще одним необходимым условием возникновения больших вспышек является сложное распределение магнитного поля в активной области. Локальные источники магнитных полей разной направленности должны быть расположены хаотично. Только в этом случае в короне Солнца может образоваться токовый слой, в магнитном поле которого запасается энергия для будущей вспышки. Благоприятным фактором для вспышки является также сильный градиент магнитного поля поперек линии инверсии полярности магнитного поля. На последнее условие еще в 1982 г. указывал советский исследователь В.Е. Степанов.

    Однако, самый неожиданный результат наблюдения солнечной активности был получен при анализе магнитного поля активной области во время вспышки.

    Профессор И.М. Подгорный, ведущий научный сотрудник ИНАСАН: «Благодаря запуску космической обсерватории НАСА (SDO) в 2010 году, мы получили прекрасную возможность анализа изменений магнитных потоков и конфигурации магнитного поля активных областей на протяжении всего вспышечного процесса – от зарождения до самой вспышки – с 45-секундным интервалом регистрации данных. Попытки обнаружить изменения магнитного поля привели к потрясающим результатам: вспышка происходит, при этом выделяется колоссальная энергия, а на солнечной поверхности – тишина, поле остается без изменений!»

    По мнению, исследовательской группы ФИАН-ИНАСАН, обнаруженное явление еще раз подтверждает, что энерговыделение вспышки происходит высоко в короне, т. е. нет никаких оснований считать вспышку хромосферным событием. При этом во вспышке реализуется энергия, накопленная в короне на стадии, предшествующей вспышке.

    Впереди еще предстоит серия экспериментов по численному моделированию солнечных вспышек с учетом различных начальных параметров. Эти эксперименты должны  подтвердить уже полученные на сегодняшний день результаты, а также могут выявить новые закономерности и еще больше приблизить ученых к пониманию механизма возникновения солнечных вспышек. А это, в свою очередь, даст человечеству возможность предсказания вспышек и возможности по предотвращению последствий от их нежелательного воздействия.

    А.И. Подгорный: «Наши сегодняшние исследования направлены на детальное изучение механизма солнечной вспышки, что даст возможность с достаточно хорошей вероятностью предсказать, будет ли вспышка в течение нескольких суток или нет, а также оценить какова ее предполагаемая мощность. Конечно, это весьма ценно для науки, но не только.

    Для чего еще это нужно? Во-первых, в результате возникающего выброса, если, конечно, он идет к Земле, возникает магнитная суббуря. При этом меняются магнитные поля, в том числе и на поверхности Земли. Для человека они большого вреда не приносят, но могут привести к выводу из строя технику. Сильное радиоизлучение в дециметровом диапазоне, которое также сопровождает вспышку, оказывает большое влияние на навигационные приборы. Поэтому, важно заранее предсказать возможность такого события, чтобы избежать катастроф. Еще одно немаловажное проявление вспышки – рентгеновское облучение и его воздействие на состояние атмосферы Земли. Возможность прогноза потоков жесткого излучения в первую очередь важна для космонавтов, а также для тех, кто работает в полярных условиях, где защита озонового слоя намного ниже.

    Уметь предсказывать космическую угрозу, которая хотя и не столь разрушительна как падение больших метеоритов, но носит повседневный характер, позволит разработать эффективные меры противодействия ей. А это одно из важнейших условий продолжения нормальной жизни на Земле.»

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-Информ»

Недавно появилось сообщение о запуске американской солнечной обсерватории IRIS. О значении и особенностях этого проекта, о российских «солнечных» перспективах корреспонденту ФИАН-Информ рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН, д.ф.-м.н. Сергей Александрович Богачев.

Космический аппарат IRIS

    История исследований Солнца имеет довольно-таки длительную и насыщенную историю. Каждый новый виток развития науки и техники неизменно ознаменовывался новым всплеском интереса к нашему светилу, рождением новых теорий и исследований. Однако, это не особенно приблизило человечество к пониманию процессов, происходящих на Солнце, законов его жизни. На сегодняшний день постоянному, можно сказать, неусыпному наблюдению за Солнцем посвящена значительная доля всех космических программ и аппаратов. В научном, да и не только, мире хорошо известны такие крупные солнечные обсерватории, как SDO, STEREO, TRACE (все принадлежат НАСА), SOHO (Европа), Хинодо (Япония)… И вот теперь запущена еще одна специализированная солнечная лаборатория IRIS. Зачем так много?

    С.А. Богачев: «Каждый из известных аппаратов отличается от предыдущих по своим задачам, оснащению. Например, SOHO обладает уникальным прибором – коронографом, – которого больше нет ни на одной станции. Так и IRIS отличается от всех известных на сегодняшний день обсерваторий. Чем интересен этот проект?

    Во-первых, это так называемый малый космический аппарат (МКА). Есть большие обсерватории, крупные, в т.ч. и у НАСА, которые у всех на слуху, их разработка, функционирование и исследования на них – результат коллективного творчества международных групп ученых, в т.ч. и российских. А есть малые аппараты, размером, условно скажем, с письменный стол, на которые помещается только один прибор. Такой подход значительно удешевляет и облегчает процесс вывода аппарата на орбиту, его контроль.

    Во-вторых, этот аппарат, в отличие от уже имеющихся обсерваторий, не строит изображения Солнца, а измеряет его спектр. Причем этот спектр строится с очень хорошим угловым разрешением, примерно 0,3 угловых секунды. Чтобы было понятно, что скрывается за этим значением, представьте, что Вы можете рассмотреть во всех деталях, с надписями и эмблемами, копеечную монету с расстояния около километра. И это примерно в 2 раза выше, чем существующие рекордные значения.»

    Недаром сами авторы IRIS сравнивают исследования, запланированные для проведения на нем, с исследованиями под микроскопом.

    Когда ученые проводят исследования Солнца посредством телескопов, например, SDO, они могут наблюдать структуру и ее изменения, какую-то временнýю динамику на поверхности. Но, используя те же самые изображения, нельзя ответить на вопросы «Какова плотность плазмы в этом месте?» или «Какая температура плазмы в этой точке на Солнце?». Запущенный аппарат как раз и призван закрыть этот пробел.

    С.А. Богачев: «Что такое спектр? Это когда поток излучения из одной и той же области измеряется сразу в нескольких спектральных линиях. Каждая спектральная линия по-разному откликается на температуру. Некоторые линии, скажем, ярче при температуре в миллион градусов, другие – при 100 тыс. градусов. И когда Вы смотрите спектр, анализируете интенсивность излучения разных линий, то делаете вывод, что в этом месте температура плазмы составляет, например, миллион градусов. Точно также есть линии, чувствительные к плотности вещества и позволяющие определять эту характеристику. Таким образом, спектры, в отличие от изображений, дают возможность производить диагностику плазмы, т.е. определять ее физические параметры – плотность, температуру и другие»

    Важность новой обсерватории состоит не столько в способности исследовать спектральные характеристики Солнца, спектрографы выводились для исследований на орбиту и раньше, а в его рекордной по нынешним оценкам чувствительности, в высоких значениях углового разрешения.

    Значимость подобных высокоточных исследований в исследовании Солнца очень велика. В настоящее время доминирующей в солнечной физике является теория, согласно которой основная вспышечная энергия Солнца содержится не в крупных событиях, которые привлекают всеобщее внимание, а в огромном количестве мелких вспышек. Каждая из них настолько слаба, что мы ее просто не видим, но из суммарная энергия в сотни и тысячи раз превышает энергию крупномасштабной вспышечной активности. Поэтому сейчас и стремятся выводить на орбиту очень точные инструменты, чтобы проникнуть в этот солнечный микромир.

Научная аппаратура Арка – эскизный облик

    Не отстает от зарубежных коллег и российская наука. В России также существует программа МКА. Интересное совпадение, но в то самое время, когда НАСА выводило на орбиту IRIS, ученые ФИАН представили к защите эскизный проект на научную аппаратуру «Арка» для отечественного малого космического аппарата.

    С.А. Богачев: «Малый аппарат с прибором ФИАН «Арка» включен в федеральную космическую программу. Во второй половине этого года, после того как результаты эскизного проектирования будут утверждены Роскосмосом, мы переходим в стадию разработки конструкторской документации, а уже с будущего года начнем делать первые макеты. К 2015 году космический аппарат с нашим прибором должен выйти на орбиту.

    Хотелось бы отметить, что если IRIS имеет угловое разрешение в 10 раз лучше, чем SOHO, то телескопы, разрабатываемые нами, будут еще в 3 раза лучше, чем IRIS. И еще, что очень важно, IRIS, хотя и имеет рекордное угловое разрешение, но не строит изображение Солнца, а «видит» лишь очень маленький фрагмент его поверхности, который попадает в щель спектрометра. Прибор же, который создает ФИАН, это полноценный телескоп, способный проводить обзор всего солнечного диска.»

    Исследования Солнца чрезвычайно важны не только для развития физики Солнца, но и для науки в целом. Солнце не зря называют естественной научной лабораторией. Понимание процессов, протекающих здесь, поможет ученым глубже проникнуть во многие тайны нашего мира.

Солнце глазами космической обсерватории SDO. Аппаратура Арка позволят получить в 6 раз более детальное изображение

    С.А. Богачев: «Очень долго считалось, что ответы на все ключевые вопросы солнечной физики – механизм нагрева короны, источники энергии солнечных вспышек и прочее – хранятся в макромире Солнца. А вот сейчас оказалось, что – нет. Мы просто не могли ответить на многие вопросы, потому, что ключи к ним спрятаны на каком-то более мелком масштабе, в микромире. Поэтому сейчас пошел второй виток физики Солнца, когда пытаются глубже проникнуть во все более тонкие процессы, пытаются увидеть все более быстрые процессы на Солнце. И наш аппарат Арка будет очень сильным подспорьем в этих исследованиях.

    Солнце – самая близкая к нам звезда, объект, который рядом, объект, от которого мы очень зависим. Конечно, чем больше мы о нем знаем, тем лучше…»

Е.Любченко, АНИ «ФИАН-Информ»

    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