Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 8, стр. 1185-1188

ВВЕДЕНИЕ

Солнечные события с длительным высокоэнергичным гамма-излучением, или солнечные гамма-вспышки, являются одним из наиболее ярких проявлений взрывного энерговыделения на Солнце. Энергия гамма-квантов в большинстве случаев превышает 100 МэВ, а длительность иногда достигает 20 ч [1]. Начало излучения всегда можно связать с солнечной вспышкой балла Х или М, одновременно наблюдаются корональные выбросы массы (КВМ), большинство которых относится к типу гало и имеет скорость ~1000 км ⋅ с^–1 [2–4]. В настоящее время большинство авторов предполагает, что гамма-излучение возникает при взаимодействии с атмосферой Солнца протонов с энергией выше 300 МэВ, ускоренных на внутренней стороне ударной волны, связанной с КВМ, и движущихся в сторону Солнца [4–6].

Связь между гамма-вспышками и солнечными космическими лучами (СКЛ) является предметом дискуссии. Авторы [7] не нашли корреляции между событиями, в которых наблюдались солнечные протоны с энергией выше сотен МэВ и событиями с длительным гамма-излучением с энергией Е ≥ 100 МэВ. С другой стороны, авторы [5, 6] представили доказательства того, что солнечные протоны, наблюдаемые в межпланетном пространстве, и протоны, генерировавшие длительное гамма-излучение при взаимодействии с веществом Солнца, были ускорены одной и той же ударной волной, связанной с КВМ.

Задачей настоящей работы является сопоставление некоторых характеристик СПС и источников солнечных гамма-событий, опубликованных в [3–5, 7]. Особый интерес представляют вопросы: почему не все солнечные протонные события (СПС) с высокоэнергичными протонами (>100 МэВ) сопровождаются гамма-вспышками и почему не все гамма-вспышки сопровождаются СПС.

ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ

Работа выполнена на базе Каталога солнечных протонных событий 24-го цикла солнечной активности, который является продолжением серии [8–13]. В Каталог входят события, в которых наблюдались протоны с Е ≥ 10 МэВ и потоком J10 ≥ 1 см^–2 ⋅ с^–1 ⋅ ср^–1 в максимуме временного профиля. Далее будем называть этот ряд J10. В этой статье мы рассматриваем потоки J10 и потоки протонов с Е ≥ 100 МэВ (ряд J100), а также предполагаемые источники СКЛ, причем учитывались только вспышки и КВМ, давшие основной вклад в СПС согласно [14]. Список гамма-вспышек был составлен на базе работ [4–7].

ОТЛИЧИЯ СОБЫТИЙ СКЛ С ГАММА-ВСПЫШКАМИ И БЕЗ НИХ

В таблице 1 представлена статистика изучаемых событий. Из нее можно сделать следующие выводы: 75% всех событий СКЛ J10 не сопровождается гамма-вспышками. Для событий СКЛ с протонами с Е > 100 МэВ эта доля меньше, т.е. при увеличении энергии СКЛ связь с гамма-вспышками растет. Только 3 события СКЛ без протонов ≥100 МэВ из общего числа 37 сопровождались гамма-вспышками: 13 мая 2013 г. (N14E85), 21 июня 2015 г. (N12E13) и 25 июня 2015 г. (N9W42). Отметим, что 2 из них были от восточного источника, а событие 25 июня 2015 г. имело необычный временной профиль, не характерный для западного источника. Можно утверждать, что практически все СПС без протонов ≥100 МэВ не сопровождаются гамма-вспышками.

Протонные события, сопровождаемые гамма-вспышками, отличались более высокими потоками частиц в максимуме временного профиля события, как это можно видеть на рис. 1. Это особенно заметно для J100, для которых доля событий с гамма-вспышками велика, причем гамма-вспышки сопровождают наиболее мощные события: в 75% СПС с гамма-вспышками J100 > 0.3 см^–2 ⋅ с^–1 ⋅ ср^–1. В 67% событий без гамма-вспышек J100 < 0.1 см^–2 ⋅ с^–1 ⋅ ср^–1. Можно видеть, что гамма-излучение от протонных событий с J100 < 1 см^–2 ⋅ с^–1 ⋅ ср^–1 слишком слабое и практически не регистрируется телескопом Ферми.

Рис. 1.

Распределения СПС по потоку протонов в максимуме временного профиля для протонов с Е ≥ 10 МэВ (а), для протонов с Е ≥ 100 МэВ (б). Сплошные линии относятся к событиям без гамма-вспышек, штриховые линии – к событиям с гамма-вспышками.

Для анализа источников СПС были взяты только вспышки и КВМ, которые были отмечены в [14] как главные. Средний рентгеновский балл родительских вспышек СКЛ [15], совпадающих с гамма-вспышками, – Х2.3, значительно выше, чем для СКЛ без гамма-вспышек – М4.4. В то же время для гамма-вспышек без СКЛ средний балл рентгеновских вспышек Х1.2. Скорость КВМ [16] демонстрирует аналогичные результаты: для совпадающих событий 1650 ± 135 км ∙ с^–1, для СКЛ без гамма-вспышек 1060 ± 140 км ∙ с^–1, для гамма-вспышек без СКЛ 1220 ± 160 км ∙ с^–1. Таким образом, отсутствие гамма-вспышки в событии СКЛ может объясняться слабым источником, что является вполне ожидаемым результатом.

На рис. 2 показаны долготные распределения источников СПС и гамма-вспышек. Для СКЛ распределения на рис. 2а и 2б качественно одинаковы: максимум СПС происходит в западном полушарии Солнца, где наибольшая вероятность соединения наблюдателя с родительской вспышкой. Для гамма-вспышек без СКЛ (рис. 2в) распределение имеет максимум в восточном полушарии. Это свидетельствует о том, что СКЛ могли сопровождать эти гамма-вспышки, но они не наблюдались на Земле. Дальнейшее подтверждение этого находим в распределении позиционных углов КВМ. Позиционный угол (РА) определяется как направление наиболее быстро движущегося сегмента КВМ. Он отсчитывается против часовой стрелки и, таким образом, КВМ, преимущественно движущиеся в сторону Земли, имеют РА > 180°. Рисунки 2г и 2д свидетельствуют, что подавляющее большинство КВМ-источников СКЛ двигаются преимущественно в сторону Земли, но поскольку большинство из них типа гало, Земля попадает в сферу влияния даже тех КВМ, которые движутся в другом направлении. Распределение позиционных углов КВМ для гамма-вспышек без СКЛ, имеет максимум <180°. Таким образом, с большой вероятностью, все гамма-вспышки сопровождаются выходом СКЛ в межпланетную среду, но из-за условий распространения СКЛ мы недостаточно эффективно регистрируем СПС, если активная область, где произошло энерговыделение, находилась далеко от долготы соединения и КВМ, сопровождающий гамма-вспышку, двигался в сторону, противоположную Земле.

Рис. 2.

Верхняя панель: долготные распределения родительских вспышек для СПС без гамма-вспышек (а), для событий, где были СКЛ и гамма-вспышки (б), для гамма-вспышек без СКЛ (в). Нижняя панель: распределения значений позиционных углов КВМ для СПС без гамма-вспышек (г), КВМ событий, где были СПС и гамма-вспышки (д), КВМ с гамма-вспышками без СКЛ (е).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С большой вероятностью все гамма-вспышки сопровождаются выходом СКЛ в межпланетное пространство. В тех случаях, когда СКЛ не были зарегистрированы, гамма-вспышки произошли в активной области, далекой от долготы соединения с Землей и соответствующий КВМ распространялся не в сторону Земли.

75% солнечных протонных событий c максимальным потоком (J (Е ≥ 10 МэВ) ≥ 1 см^–2 ⋅ с^–1 ⋅ ср^–1) не сопровождается длительным гамма-излучением. Это события, в которых не наблюдались протоны с Е ≥ 100 МэВ и события со слабой интенсивностью таких протонов. В большинстве событий СКЛ, сопровождающихся гамма-вспышками, J (≥100 МэВ) ≥ ≥ 0.3 см^–2 ⋅ с^–1 ⋅ ср^–1.

Работа поддержана РФФИ (проект № 19-02-00264). Г.А. Базилевская благодарна за обсуждения в рамках проекта ISSI HEROIC “Анализ событий СКЛ высокой энергии” под руководством Докт. А. Папаиоанноу.