Астрономический журнал, 2022, T. 99, № 6, стр. 496-505

1. ВВЕДЕНИЕ

Наблюдения на радиотелескопе РАТАН-600 показали [1], что в спектре излучения Солнца наблюдается радиолиния 2²P_3/2–2²S_1/2 на частоте 9845 МГц (3.05 см), связанная с переходами в тонкой структуре атома водорода, возбужденного до уровня с главным квантовым числом n = 2. Это пока единственная радиолиния, наблюдаемая в спектре Солнца в сантиметровом диапазоне. Впервые на возможность наблюдений Солнца в радиолинии Н_3.05 указал в 1952 г. Wild [2]. Уже в 1958 г. наблюдение Солнца во время затмения показало потемнение диска Солнца к краю на частоте линии 9845 МГц. В дальнейшем были обнаружены признаки присутствия линии во всплесках радиоизлучения Солнца [3, 4], обнаружено ее присутствие на Солнце с помощью радиотелескопа диаметром 3 м, и получен ее частотный профиль, хорошо совпадающий с теоретическим [5]. По наблюдениям на радиотелескопе РАТАН-600 (Р-600) также сообщалось о возможном присутствии на Солнце этой линии [6–8]. Наконец, после расчета зеемановского расщепления для этой линии и его применения для обработки наблюдений было надежно установлено, что интенсивность этой линии на участках спокойного Солнца составляет ~1% от фона, а в активных образованиях над пятнами (АО) – 10 и более процентов от фона АО, где она наблюдается в поглощении [1]. В работе [9] показано, что в спектре излучения АО над пятнами могут наблюдаться в поглощении еще две радиолинии тонкой структуры водорода для n = 3 (2917 МГц, 10.28 см) и (3237 МГц, 9.27 см). В работе замечено, что обилие атомов нейтрального водорода над АО возрастает с ростом высоты над фотосферой. Следовательно, в АО может наблюдаться серия более длинноволновых радиолиний тонкой структуры для главных квантовых чисел n = 3, 4, …, имеющих меньшие вероятности спонтанных переходов. Наличие нейтрального водорода над пятнами подтверждено наблюдениями на инфракрасном спектрополяриметре [10].

Физические условия над пятнами, выявленные в наблюдениях и исследованиях в статьях [1, 9, 10], приводят к заключению о возможности наблюдения в АО и рекомбинационных радиолиний водорода и других элементов.

Спектральный комплекс радиотелескопа Р-600, обладающий большим диапазоном анализируемого спектра (3–18 ГГц), к сожалению, имеет весьма низкое спектральное разрешение (84 канала шириной ~120 МГц, расставленных через 187.5 МГц [11]). Рекомбинационные линии водорода в этом диапазоне (для главных квантовых чисел n >20) имеют ничтожную естественную ширину [12]. То есть, спектральный комплекс Р‑600 не пригоден для наблюдения профилей рекомбинационных радиолиний. Однако анализ данных многолетних спектральных наблюдений Солнца на Р-600 позволяет сделать вывод о том, что рекомбинационные радиолинии в спектрах АО наблюдаемы. Решающим основанием для такого заключения является очень высокий уровень неоднородности спектров всех АО по сравнению с таковым для спокойного Солнца.

2. НЕОДНОРОДНОСТИ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ АКТИВНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ НАД ПЯТНАМИ И СПОКОЙНОГО СОЛНЦА

В настоящей работе все спектры АО относятся к максимумам их интенсивности. На рис. 1 показаны средние спектры излучения 31 АО и 30 – спокойного Солнца. Легко видеть, что эти спектры имеют разную степень гладкости. В дальнейшем мы будем использовать средний из 30 спектров спокойного Солнца как некий стандартный спектр спокойного Солнца.

Чтобы оценить различия в неоднородностях спектров этих объектов, исключим из спектров средние значения. На рис. 2 показан процесс исключения среднего значения спектра на примере АО 12673. Неоднородностью спектра назовем разность между спектром и аппроксимирующей кривой (в данном случае полиномом 5-й степени). Неоднородность представлена на рис. 3.

На рис. 4 показана эта неоднородность в процентах к средней интенсивности АО, а на рис. 5 – неоднородность в процентах к средней интенсивности при условии, что из интенсивности АО исключена доля, относящаяся к спокойному Солнцу (сС). Соотношение процентов неоднородностей спектров АО 12673 и сС показано на рис. 6. Среднеквадратические значения неоднородностей спектров этих объектов σ отличаются почти в 20 раз, они составляют, соответственно, 4.55 и 0.228%.

Столь большое преобладание неоднородности спектра АО над таковым для спокойного Солнца указывает на наличие некого когерентного механизма генерации этих неоднородностей в АО. На рис. 7 приведены неоднородности средних спектров двух групп АО по 10 АО в каждой группе. В одной из групп все АО более мощные, чем во второй группе. Коэффициент корреляции этих кривых составляет 0.915, что указывает на устойчивость этого когерентного механизма генерации излучения.

На рис. 8 представлены среднеквадратические значения неоднородностей спектров целого ряда АО, имеющих разные интенсивности. Видно, что всем им присущ большой уровень неоднородности спектра.

3. РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ РАДИОЛИНИИ ВОДОРОДА И ДРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ МОГУТ БЫТЬ ПРИЧИНОЙ ВЫСОКОГО УРОВНЯ НЕОДНОРОДНОСТИ СПЕКТРА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ АКТИВНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ НАД СОЛНЕЧНЫМИ ПЯТНАМИ

Наиболее известные рекомбинационные линии Солнца – водородные серии Лаймана (ультрафиолет), Бальмера (видимый диапазон), Пашена (инфракрасный) и т.д. Рекомбинационным радиолиниям (РРЛ) посвящена превосходная монография [12]. РРЛ в межзвездной среде предсказаны в 1959 г. Кардашевым [13] и обнаружены в 1964 г. А.Ф. Дравских, З.В. Дравских [14] (H104α), а также Сороченко и Бородзичем [15] (Н90α). В разреженной межзвездной среде РРЛ заполняют весь радиодиапазон от субмиллиметров до декаметров, что соответствует возбуждению до главного квантового уровня n = 1000. В излучении Солнца обнаружено несколько РРЛ различных элементов на чрезвычайно высоких частотах. Наиболее низкочастотная из обнаруженных в излучении хромосферы РРЛ, принадлежащая водороду, H21α, имеет частоту 662 ГГц [16].

Частоты РРЛ водорода и других водородоподобных элементов (возбужден только один внешний электрон) отличаются очень мало. В диапазоне частот спектрального комплекса Р-600 это различие не превосходит 10 МГц. Это значит, что РРЛ водорода и любых других элементов будут попадать в один и тот же частотный канал спектрографа Р-600. Однако частоты РРЛ ионов для тех же n будут существенно различаться.

В работе [1] неожиданно обнаружилось, что радиолиния тонкой структуры водорода 2²P_3/2– 2²S_1/2 (9845 МГц) наблюдается в спектре АО над пятнами с большой интенсивностью в поглощении. В работе [9] показано, что с большой вероятностью в АО должны наблюдаться еще две линии тонкой структуры водорода на частотах 2917 и 3237 МГц. Все это указывает на недостаточное знание условий, существующих в АО над пятнами. Требует объяснения и наличие огромной неоднородности спектров в АО по сравнению с таковой для спокойного Солнца. Трудно представить, что спокойные механизмы генерации излучения, тормозной и гиромагнитный, могут быть причиной такой неоднородности спектра АО. Учитывая недостаточность знаний параметров среды в АО над пятнами, можно допустить наличие РРЛ водорода и других элементов в спектрах АО. РРЛ распределены по спектру дискретно и при достаточной интенсивности могут быть искомым источником неоднородности спектров.

Оценим, при каких параметрах среды в АО возможно образование РРЛ, предположительно создающих столь большую неоднородность спектра АО. Температура Т среды над пятнами составляет 4300–5500 К [17]. Эта частично ионизованная среда поднимается от фотосферы в корону. В пятне присутствует достаточно сильное магнитное поле, препятствующее проникновению в эту среду горячей плазмы короны. Плотность среды у основания пятна известна плохо. При подъеме в корону меняется форма магнитного поля, замагниченный объем среды растет, плотность среды падает.

Факторами, мешающими образованию эффекта, являются доплеровское и штарковское уширения РРЛ. Доплеровское уширение [12], формула (2.18, стр. 36)

зависит от отношения Т/М, где М – масса элемента в атомных единицах массы (для преобладающего элемента, водорода, М = 1.007825035), Т – температура в Кельвинах, ν₀ – частота линии. Для водорода при Т = 30 000 К и ν₀ = 8 ГГц Δν_d = = 0.99 мегагерца. Как мы увидим в дальнейшем, это малая величина по сравнению со штарковским уширением.

Основным механизмом штарковского уширения РРЛ [12] являются неупругие соударения возбужденных атомов с электронами (формула (2.49, стр. 50))

где N_e – электронная плотность в см³, n – квантовое число (уровень возбуждения), T_е – электронная температура. Обратим внимание, что штарковское уширение (ШУ) пропорционально уровню возбуждения n более чем в 4-й степени. Это значит, что РРЛ не видны в хромосфере потому, что при высокой электронной плотности в хромосфере ШУ их размывает и делает необнаружимыми.

Поскольку неоднородность спектров в АО наблюдается во всем РАТАНовском диапазоне, попробуем выяснить, при каких значениях электронной плотности N_e это возможно. На рис. 9 показаны распределение РРЛ водорода в РА-ТАНовском диапазоне частот (вверху) и плотность их распределения (внизу).

Каждая рекомбинационная линия (любого элемента) имеет тонкую структуру (т.е. расщеплена). Однако расщепление линий, обусловленное тонкой структурой термов, при высоких значениях главных квантовых чисел n (от 70 до 130) составляет ничтожную величину (~1/n³), от 100 герц до 5 герц [12]. Именно эти уровни n при переходах типа (n + 1) → n обеспечивают частоты РРЛ, лежащие в РАТАНовском диапазоне. Зеемановское расщепление при тех магнитных полях, которые наблюдаются в АО (~100 гаусс и более) [1, 9], будет на много порядков превосходить расщепление, связанное с тонкой структурой термов. В таком случае расщепление линий в магнитном поле будет подчиняться эффекту Пашена-Бака [18], т.е. в магнитном поле линии будут расщепляться на три компонента. В качестве исходной линии, которая будет расщепляться в соответствии с эффектом Пашена-Бака, мы принимаем сигнал, представляющий собой тесные компоненты, расщепленные в связи с тонкой структурой термов. Частота этого сигнала может быть положена равной частоте рекомбинационной линии в отсутствие магнитного поля. В этом случае расщепление исходной линии будет происходить по формуле (1), [18], стр. 331

где C – скорость света, e – заряд электрона, m_e – масса электрона, Δν = ±1.3996 · Н, где Δν – в мегагерцах, Н – в гауссах.

Частота среднего компонента будет совпадать с исходной линией, а боковые компоненты будут смещены на Δν в противоположные стороны. Средний компонент будет линейно поляризован вдоль магнитного поля, а боковые – поляризованы по кругу в противоположных направлениях.

На рис. 10 показана модель неоднородности спектра вместе с реальной неоднородностью АО 12673. Для создания модели использованы РРЛ водорода и некоторая закономерность распределения магнитного поля с высотой над фотосферой, а также форма частотной характеристики каналов спектрографа. Модель и реальная неоднородность не совпадают. Это естественно, поскольку не учтены РРЛ других элементов и их ионов.

4. ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛОТНОСТИ СРЕДЫ НАД АО

РРЛ закономерно распределены по всему спектру частот. Основным фактором, ограничивающим возможность наблюдения РРЛ в солнечных условиях, является штарковское уширение (ШУ) линий, связанное с неупругими соударениями высоковозбужденных атомов с электронами [12].

Если ШУ будет настолько сильно размывать РРЛ, что соседние линии будут сливаться, то наблюдаемая на Р-600 неоднородность спектра исчезнет. Пусть критерием максимально допустимого размытия двух соседних линий будет ситуация, когда между двумя соседними линиями интенсивность становится равной 0.5 интенсивности линий. Для вычисления профиля линий РРЛ использовано уравнение (2.24, стр. 40) [12]

где ${{\nu }_{0}}$ – центральная частота линии, $\delta \nu $ – полуширина линии. Так как естественная ширина РРЛ и их доплеровское уширение малы, то, при наличии штарковского уширения, $\delta \nu $ с большой точностью равно ШУ.

На рис. 11 показан пример принятого нами предельно допустимого уширения двух соседних РРЛ. Поскольку расстояние между соседними РРЛ зависит от их положения в спектре, то нужно будет провести оценку допустимого уширения и соответствующей N_e на низкочастотном (нч) и высокочастотном (вч) краях диапазона спектрографа Р-600. Чтобы образовалась такая конфигурация, необходимо, чтобы $\delta \nu $ = ШУ на нч крае составляло 45 МГц, а на вч крае – 450 МГц.

Из уравнения (2.49, стр. 50) [12] получено выражение (5) зависимости электронной плотности среды N_e от параметров среды и величины ШУ:

где n – главное квантовое число (уровень возбуждения), T_e – электронная температура. N_e слабо зависит от T_e. Положим T_e = 5000 К, тогда для нч края (n = 127), N_e = 1.4 × 10⁶ см^–3, а для вч края (n = 72) N_e = 2.5 × 10⁸ см^–3.

Поскольку большие неоднородности спектров АО наблюдаются во всем диапазоне спектральных наблюдений Р-600 и поскольку мы полагаем, что ответственными за эти неоднородности являются РРЛ, то мы должны выбрать меньшую из полученных N_e и считать, что электронная концентрация среды над АО достигает столь малой величины, как N_e = 1.4 × 10⁶ см^–3.

5. ДИСКУССИЯ

Проведено много попыток обнаружения рекомбинационных радиолиний (РРЛ) в излучении хромосферы Солнца [12]. Все обнаруженные на Солнце РРЛ лежат в области чрезвычайно высоких частот. Наиболее низкочастотная из обнаруженных в излучении хромосферы РРЛ, принадлежащая водороду, H21α, имеет частоту 662 ГГц [16].

Херсонский и Варшалович [19] указывали на возможность обнаружения РРЛ на более низких частотах в излучении солнечных пятен. В настоящей работе нет очевидных фактов, указывающих на наблюдаемость РРЛ в спектрах АО над солнечными пятнами. Однако есть совокупность данных, которые трудно объяснить, не привлекая к рассмотрению РРЛ. Эти данные таковы:

1) В АО обнаружена очень яркая линия поглощения тонкой структуры водорода (9845 МГц, 3.05 см) [1], которую никто не смог предсказать.

2) На основании особенностей спектра АО на частотах ~3 ГГц появилось предсказание о вероятной наблюдаемости еще двух ярких линий поглощения тонкой структуры водорода в АО на частотах 2917 и 3237 МГц (10.28 см) и (9.27 см) [9], которые по физическим соображениям невозможно наблюдать в стандартной атмосфере хромосферы из-за очень малого значения их вероятности спонтанного перехода [2]. Это показывало, что параметры среды над АО пока известны плохо, что в АО должно быть много нейтрального водорода, относительное обилие которого с высотой возрастает.

3) Действительно, в работе [10] по результатам наблюдений на инфракрасном спектрополяриметре была предложена схема образования холодного атомарного водорода в атмосфере над солнечными пятнами.

4) Наконец, основным фактором, побудившим рассмотреть возможность наблюдаемости РРЛ в спектрах АО, стала чрезвычайно высокая степень неоднородности спектров АО по сравнению с таковой спектра спокойного Солнца. Оказалось, что с помощью РРЛ можно объяснить эту особенность спектров АО.

Для обнаружения РРЛ в солнечных пятнах нужен полноповоротный радиотелескоп (диаметром ~30 м) и спектрограф умеренных параметров: полоса анализа от 1000 до 3000 МГц, разрешающая способность ~1 МГц, шумовая температура 300 К. Полоса анализа должна быть в области достаточно высоких частот. Если рассматривать диапазон Р-600, то полосу анализа следует выбрать от 13 до16 ГГц по следующим соображениям. В этой области, судя по результатам настоящей работы, наибольшая неоднородность спектра АО, штарковское уширение здесь невелико (при N_e = 10⁷ см^–3 δν ≈ 29 МГц), здесь должны присутствовать 4 РРЛ водорода (Н78α – Н75α) (рис. 12) и других водородоподобных атомов, а также их ионов. Расстояние между соседними РРЛ достаточно велико (560 МГц). Поскольку в АО присутствует магнитное поле, то там же будут наблюдаться и компоненты расщепления РРЛ эффектом Пашена-Бака. Положение в спектре исходных РРЛ от магнитного поля не зависит.

6. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Работы [1, 9, 10] показали, что в активных образованиях над солнечными пятнами (АО) присутствует достаточно много нейтрального водорода.

1) Анализ многолетних спектральных наблюдений Солнца на радиотелескопе РАТАН-600 показал, что во всех активных образованиях (АО) над пятнами неоднородность (негладкость) спектра превышает таковую для спокойного Солнца примерно в 20 раз. Спектры самих неоднородностей спектра АО устойчивы, т.е. между спектрами неоднородностей разных АО существует высокий коэффициент корреляции (>0.9). Все это указывает на наличие некого механизма генерации когерентного излучения в АО, порождающего высокую неоднородность спектра.

2) Показано, что таким механизмом могут быть рекомбинационные радиолинии (РРЛ) водорода и других элементов.

3) Показано, что электронная плотность среды над АО, в которой генерируются РРЛ, должна достигать столь малой величины, как N_e = 1.4 × × 10⁶ см^–3. При этом должны наблюдаться низкочастотные РРЛ вплоть до Н128α (3099 МГц).