太陽宇宙線地面增強(qiáng)事件(GLE72)峰值能譜研究*

張云峰 賈煥玉 王輝

(西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 成都 611756)

太陽宇宙線地面增強(qiáng)事件(GLE)能譜可以提供宇宙線加速和傳播過程的重要信息.利用GOES15衛(wèi)星和地面中子堆實驗數(shù)據(jù)分析了最近一次GLE事件(2017年9月GLE72)的質(zhì)子峰值能譜, 得到衛(wèi)星觀測能段的質(zhì)子峰值能譜的能譜指數(shù)為1.88, 中子堆觀測能段的能譜指數(shù)為4.86.利用高能太陽粒子的二重加速機(jī)制對能譜結(jié)果進(jìn)行了定性的理論解釋.GLE72質(zhì)子峰值能譜結(jié)果對LHAASO等大型地面宇宙線觀測陣列中更高能量粒子具有重要參考價值.

1 引 言

自1912年奧地利科學(xué)家Hess[1]發(fā)現(xiàn)宇宙線以來, 宇宙線的起源、加速和傳播機(jī)制一直是宇宙線物理長期研究的重要問題.太陽是離我們最近的一顆恒星, 也是一個明確的宇宙線源, 太陽宇宙線的研究可以對上述問題的解決提供重要基礎(chǔ).太陽宇宙線地面流強(qiáng)增長事件(ground level enhancement, GLE)[2]是指太陽耀斑爆發(fā)產(chǎn)生的高能粒子在地面的強(qiáng)度短時間增加, 其中高能粒子能量可以超過500 MeV.產(chǎn)生GLE事件的太陽高能粒子會穿過地球大氣層并與大氣發(fā)生級聯(lián)簇射[3], 產(chǎn)生大量的次級粒子, 對這些次級粒子觀測可間接得到太陽高能粒子的性質(zhì).GLE事件的高能粒子可以利用分布于世界范圍內(nèi)的地面中子堆站和地面探測陣列來進(jìn)行地面觀測, 也可以利用衛(wèi)星和氣球探測器進(jìn)行空間觀測.現(xiàn)有衛(wèi)星空間探測的太陽高能粒子能量最高達(dá)到幾百M(fèi)eV, 地面探測的能量一般在GeV以上.目前地面探測到的太陽高能粒子能量最高達(dá)500 GeV[4].GLE事件一般在太陽活動周的最大階段或下降階段發(fā)生[5], GLE事件期間的太陽耀斑活動可能伴隨日冕物質(zhì)拋射.自1946年Forbush[6]首次觀測到GLE 事件以來, 已經(jīng)記錄到72個GLE 事件, 大部分是質(zhì)子事件.

GLE事件中粒子的能譜、成份、加速機(jī)制和最大能量對研究太陽活動和宇宙線基本物理問題具有重要作用.GLE事件粒子的能譜與成份、加速機(jī)制和最大能量密切相關(guān), 因此GLE事件粒子能譜是研究GLE事件的首要問題.GLE事件粒子能譜一般為能量或剛度的冪律函數(shù)形式.GLE事件有一個發(fā)生、發(fā)展的過程.在這個過程中, 粒子流強(qiáng)上升到最大值(峰值)后又逐漸恢復(fù)到正常水平.粒子流強(qiáng)峰值和峰值時間對研究GLE事件中粒子的最大能量具有特別的意義, GLE事件粒子流強(qiáng)峰值能譜(流強(qiáng)峰值隨能量的變化)對太陽宇宙線及銀河宇宙線研究具有重要意義.人們開展了許多關(guān)于流強(qiáng)峰值與峰值能譜的研究, Oh等[7]利用GOES衛(wèi)星各個能量通道的太陽高能粒子流強(qiáng)峰值數(shù)據(jù)對2010年以前的太陽高能粒子事件進(jìn)行了分析; 2006年, Vashenyuk等[8]利用地面中子堆數(shù)據(jù)研究了GLE事件雙峰結(jié)構(gòu); 2007年, Mottl和Nymmik[9]將衛(wèi)星和中子堆觀測數(shù)據(jù)結(jié)合給出22太陽活動周中的13個GLE事件的平均峰值能譜.

2017年9月10日太陽爆發(fā)的X8.2級大耀斑引發(fā)了GLE72事件, 這是最新的一個GLE質(zhì)子事件, 該事件成為近幾年GLE研究的主要對象.Bruno等[10]、Gopalswamy等[11]利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)給出了GLE72事件的低能端能譜; Mishev等[12]利用新的中子堆yiled function[13]結(jié)合中子堆數(shù)據(jù)給出了GLE72事件在不同時間的能譜和各向異性特征.而發(fā)生在太陽活動周期的低活動期的GLE72事件, 峰值能譜目前還沒有詳細(xì)研究結(jié)果的報道.本文利用GOES15衛(wèi)星和中子堆實驗數(shù)據(jù)分析和研究GLE72事件的質(zhì)子峰值能譜.本文使用的衛(wèi)星實驗數(shù)據(jù)來源于https://www.swpc.noaa.gov/products/goes-proton-flux 和http://lpsc.in2p3.fr/crdb, 中子堆實驗數(shù)據(jù)來源于http://www.nmdb.eu/nest/index.php和http://gle.oulu.fi/#/dose.

2 GLE72事件衛(wèi)星與地面觀測數(shù)據(jù)處理

2017年9月6—10日太陽爆發(fā)了劇烈活動,AR2673活動區(qū)共爆發(fā)了19個M級和4個X級太陽耀斑.圖1給出了地面中子堆DOMB站點(diǎn)2017年9月5—18日期間記錄的宇宙線計數(shù)率.第一個X級(X2.2, 藍(lán)線)耀斑在2017年9月6日08:57 UT 爆發(fā), 第二個X級(X9.3, 粉線)耀斑在11:53 UT爆發(fā), 第三個X級(X1.3, 綠線)耀斑在2017年9月7日14:20 UT 爆發(fā), 2017年9月10日15:35 UT太陽爆發(fā)第四個X級(X8.2,紅線)耀斑.在這一系列的太陽活動中, X9.3級耀斑引起了宇宙線Forbush下降[14](由日冕物質(zhì)拋射(CME)驅(qū)動的行星際激波所引發(fā)的銀河宇宙線(GCR)突然下降).圖1中可以清楚看到這次Frobush下降.在Forbush下降的恢復(fù)階段, 伴隨CME的X8.2級大耀斑引發(fā)了GLE72事件, 其中CME發(fā)生在2017年9月10日16:00 UT, 在2017年9月12日19:26 UT到達(dá)地球[15], 最初的速度高達(dá)3620 km/s[12].地面中子堆記錄到了這一GLE事件.圖1中2017 年9月10日15:35 UT(X8.2 級耀斑爆發(fā))后計數(shù)率突然顯著增大, 這就是GLE72事件.中子堆DOMB站點(diǎn)記錄的GLE72事件顯著性為 7.7σ.GLE72事件從上升到恢復(fù)大概持續(xù)3天多, 在這段時間GOES15衛(wèi)星EPEAD-A 儀器觀測到高能粒子(Proton, Alpha)的流強(qiáng)如圖2所示.可以明顯看出, 在X8.2級耀斑爆發(fā)后, GOES15衛(wèi)星記錄的質(zhì)子(Proton)和氦核(Alpha)的流強(qiáng)都有明顯上升, 也就是說衛(wèi)星也記錄到了這次GLE事件的高能粒子爆發(fā).在GLE72事件中, 質(zhì)子的流強(qiáng)峰值比氦核的流強(qiáng)峰值高出幾百倍, 即在GLE72事件中的高能粒子以質(zhì)子為主.

圖1 地面中子堆DOMB站點(diǎn)在2017年9月5—18日的計數(shù)率(1小時平均)隨時間的變化.X2.2級耀斑爆發(fā)于2017年9月6日08:57 UT (藍(lán)色豎線), X9.3級耀斑爆發(fā)于2017年9月6日11:53 UT (粉色豎線), X1.3級耀斑爆發(fā)于2017年9月7日14:20 UT (綠色豎線), X8.2級耀斑爆發(fā)于2017年9月9日15:35 UT (紅色豎線).GLE72事件的顯著性為7.7σFig.1.Count-rate (hour averaged) variation of the DOMB on September 5–18, 2017.X2.2 flares erupt at 08:57 UT(blue) on September 6, 2017, X9.3 flares break out at 11:53 UT (pink) on September 6, 2017, X1.3 flares explode at 14:20 UT (green) on September 7, 2017, and X8.2 flare burst out at 15:35 UT (red) on September 9, 2017.The significance of GLE72 event is 7 .7σ.

圖2 GOES15衛(wèi)星的EPEAD-A記錄的能量為433 MeV的Proton (紫色)和Alpha (土紅色)流強(qiáng)(5 min)隨時間變化.紅色豎線表示2017年9月10日15:35 UT X8.2級耀斑爆發(fā)時刻Fig.2.Profile of the time of Proton (purple) and Alpha(earth red) flux (433 MeV, 5 min) recorded by the EPEADA of GOES15 satellite.The red line indicates the X8.2 flare at 15:35 UT on September 10, 2017.

2.1 GOES15衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理

太陽活動爆發(fā)所釋放的大量高能粒子經(jīng)過行星際空間傳播到1 AU時, 這些太陽高能粒子會被地球軌道上的衛(wèi)星(如GOES, ACE, STEREO和SAMPEX等)觀測到, 本文主要利用GOES15衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)來分析GLE72事件.GOES15 衛(wèi)星由 NOAA和NASA研發(fā)、發(fā)射和運(yùn)行, 對高能粒子探測的儀器主要是HEPAD和EPEAD, 探測質(zhì)子的能量范圍為2—700 MeV.圖3為2017年9月9—14日GOES15衛(wèi)星EPEAD儀器觀測的6個能量通道(6.5, 11.6, 30.6, 63.1, 165, 433 MeV)的質(zhì)子流強(qiáng)隨時間的變化.圖中橫坐標(biāo)1指2017年9月10日15:35 UT, 也就是X8.2級太陽耀斑爆發(fā)時刻.可以看到, 各能量質(zhì)子流強(qiáng)隨時間變化都有一個快速上升和緩慢恢復(fù)的過程, 有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu).我們對觀測各能量質(zhì)子流強(qiáng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)平滑,平滑結(jié)果如圖3中的紅色曲線所示.由平滑曲線可以給出流強(qiáng)峰值I(E) , 利用加權(quán)平均法給出流強(qiáng)峰值時間tmax.流強(qiáng)峰值時間隨能量的變化如圖4所示.圖中縱坐標(biāo)為峰值時間, 1表示X8.2 級耀斑爆發(fā)時刻.由圖4可以看到, 流強(qiáng)達(dá)到峰值的時間大致表現(xiàn)為隨能量的增大而減小, 即更高能量的太陽宇宙線粒子更早到達(dá)觀測衛(wèi)星處, 這可能與不同能量的粒子在行星際空間的傳播速度不同有關(guān).各能量通道(6.5, 11.6, 30.6, 63.1,165, 433 MeV)的流強(qiáng)峰值分別為(268 ± 37), (69.7 ± 7.6), (32.3 ±2.4), (4.97 ± 0.14), (0.45 ± 0.04), (0.13 ± 0.01)(cm–2·s–1·sr–1·MeV–1), 如圖5所示.考慮各測量點(diǎn)誤差, 擬合得到質(zhì)子峰值能譜為I(E)=(1.05±0.63)×104E?1.88±0.14(cm?2·s?1·sr?1·MeV?1).

圖3 GOES15衛(wèi)星的EPEAD-A儀器測量的6個粒子能量通道(6.5, 11.6, 30.6, 63.1, 165, 433 MeV)的質(zhì)子的流強(qiáng)隨時間變化(黑色), 紅色為平滑結(jié)果Fig.3.Profile of the time of proton flux (black) in the six channels (6.5, 11.6, 30.6, 63.1 165, 433 MeV).The red line is the result obtained by Smoothing.

圖4 各能量點(diǎn)峰值時間隨能量的變化.其中縱坐標(biāo)1表示2017年9月10日15:35 UT耀斑爆發(fā)的時刻(黑色實線).下三角為加權(quán)平均法得到的GOES15衛(wèi)星各能量點(diǎn)流強(qiáng)到達(dá)峰值的時刻, 紅色實線為下三角數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合結(jié)果Fig.4.Peak time as a function of the energy.The black solid line indicates the X8.2 flare at 15:35 UT on September 10, 2017.The lower triangle refers to the time of flux peak in different energies, which is obtained by the weighted average method.The red solid line is the fitting result.

圖5 各能量點(diǎn)流強(qiáng)峰值隨能量的變化.黑正方形為平滑得到的GOES15衛(wèi)星各能量點(diǎn)的流強(qiáng)峰值, 紅色實線為黑正方形數(shù)據(jù)點(diǎn)(帶有誤差)擬合結(jié)果Fig.5.Flux peak as a function of energy.The black square refers to flux peak in different energies obtained by Smoothing.The red solid line is the fitting result (with error).

2.2 地面中子堆數(shù)據(jù)處理

當(dāng)能量大于450 MeV[16]的太陽高能粒子撞擊地球大氣時, 這些太陽高能粒子會穿過地球大氣并與大氣發(fā)生級聯(lián)簇射從而產(chǎn)生大量的次級粒子, 通過在地面測量這些次級粒子就可以間接獲得原初太陽高能粒子的信息.目前, 分布于全球各地的中子堆和地面宇宙線觀測陣列正時刻監(jiān)測著這些宇宙線粒子.地面中子堆觀測數(shù)據(jù)可以用來分析GLE72事件較高能段(垂直截止剛度 > 1 GV)的太陽質(zhì)子流強(qiáng)峰值能譜.中子堆觀測GLE 事件計數(shù)率增量可以表示為[17,18]

其中, ?N(Rcut,t) 表示相較于太陽平靜期太陽活動期觀測的計數(shù)率的增量;Rcut為中子堆站點(diǎn)的截止剛 度, 如1.14 GV (KERG), 1.65 GV (YKTK),2.09 GV (MGDN), ···;Rmax(20 GV)為中子堆記錄的太陽高能粒子的最大剛度;I(R,t) 為太陽活動產(chǎn)生的太陽高能粒子能譜;Y(R) 為中子堆的響應(yīng)函數(shù)(yiled function[13,19]).將中子堆站記錄的GLE72峰值計數(shù)率增量 △N(Rcut,t) 代入(1)式,就可計算出GLE72事件高能粒子的峰值能譜.利用中子堆站點(diǎn)的觀測結(jié)果, 計算得到GLE72事件高能質(zhì)子在1—20 GV能區(qū)的峰值能譜為I(R)=(9.77±0.36)×105R?6.59±0.03(m?2·s?1·sr?1·GV?1).

3 結(jié)果分析與討論

利用GOES15衛(wèi)星和中子堆的實驗觀測數(shù)據(jù)分析得到GLE72事件質(zhì)子峰值能譜, 如圖6所示.衛(wèi)星觀測峰值能譜I=I0E?γ在5—433 MeV能區(qū)的I0=(2.41±0.98)×105(m?2·s?1·sr?1·GeV?1) ,能譜指數(shù)γ=1.88±0.14.中子堆觀測得到的峰值能譜I=I0E?γ在0.43—19 GeV 能區(qū)的I0=(3.13±0.10)×104(m?2·s?1·sr?1·GeV?1) , 能譜指數(shù)γ=4.86±0.03.為了比較, 圖6中給出了銀河宇宙線能譜[20,21](黑色實線).可以看到, 當(dāng)能量大于3.5 GeV時, GLE72質(zhì)子流強(qiáng)峰值就低于銀河宇宙線背景(黑色實線)的流強(qiáng).圖6中也給出了2017 年9月10日17:00, 17:30, 18:00, 18:30和19:00 UT 等5個時刻的衛(wèi)星和中子堆觀測的GLE72質(zhì)子能譜.衛(wèi)星實驗數(shù)據(jù)給出5個時刻的能譜指數(shù)平均為γ=1.43±0.25 , 中子堆實驗數(shù)據(jù)給出的5個時刻的能譜指數(shù)平均為γ≈5.40.峰值能譜指數(shù)與這5個時刻的能譜指數(shù)差別不大, 而各時刻的流強(qiáng)相比流強(qiáng)峰值小了一個數(shù)量級.較低能區(qū)(5—433 MeV)衛(wèi)星給出的峰值能譜指數(shù)為1.88, 比高能段(0.44—19 GeV)中子堆給出的能譜指數(shù)4.86小很多, 即低能段能譜比高能段能譜更硬.這個結(jié)果可以利用如下的太陽高能粒子加速過程進(jìn)行解釋.

圖6 GLE72事件質(zhì)子峰值能譜.GOES15衛(wèi)星各能點(diǎn)(6.5, 11.6, 30.6, 63.1, 165, 433 MeV)的流強(qiáng)峰值(黑色方塊), GOES15衛(wèi)星各能量點(diǎn)流強(qiáng)峰值隨能量變化的擬合結(jié)果(紅色實線), GOES15衛(wèi)星峰值能譜延長至100 GeV的流強(qiáng)隨能量變化(紅色實線段).GOES15衛(wèi)星在各個能量點(diǎn)的各個時間17:00 UT(上三角)、17:30 UT(下三角)、18:00 UT(圓形)、18:30 UT(五角形)、19:00 UT(十字架)的流強(qiáng).中子堆實驗數(shù)據(jù)計算得到的峰值能譜(粉色實線), 中子堆峰值能譜延長到100 GeV流強(qiáng)隨能量的變化(粉色線段).Mashev等[12]給出的不同時間(17:00, 17:30, 18:00, 18:30, 19:00 UT) 的能譜(虛線).AMS02衛(wèi)星測量銀河宇宙線H[20]和He[21]的能譜(黑色實線)Fig.6.Proton peak energy spectrum of GLE72 event.The flux peak (black block) of GOES15 satellite in different energies (6.5,11.6, 30.6, 63.1, 165, 433 MeV).Fitting results of flux peak in different energies (red solid line).The flux of GOES15 satellite with the peak energy spectrum extending to 100 GeV as a function of energy (red line segment).The flux of GOES15 satellite in different energies and times [17:00 UT (upper triangle), 17:30 UT (lower triangle), 18:00 UT (circle), 18:30 UT (pentagonal), 19:00 UT(cross)].The peak energy spectrum obtained from the experimental data of the neutron monitor (pink solid line).The flux of neutron monitor with the peak energy spectrum extending to 100 GeV as a function of energy (pink line segment).Energy spectra(dashed lines) at different times given by Mashev et al.[12].The result of the energy spectrum of the galactic cosmic rays H[20] and He[21] measured by AMS02 satellite (black).

圖7 太陽高能粒子加速示意圖, 左邊表示在低日冕層區(qū)加速的太陽高能粒子, 右邊表示從低日冕區(qū)加速出來的一部分太陽高能粒子向上傳播進(jìn)入CME 進(jìn)行重加速 [22,24,25]Fig.7.A schematic representation of the acceleration of solar energetic particles.The acceleration in the low corona region (left).Part of the solar high-energy particles from the low corona enter into the CME, and be re-accelerated (right)[22,24,25].

關(guān)于太陽高能粒子的加速, 文獻(xiàn)[22?24]指出太陽活動(伴隨CME的太陽耀斑爆發(fā))所釋放的太陽高能粒子會經(jīng)歷兩個加速過程.首先由太陽耀斑所釋放的粒子在低日冕區(qū)加速, 在日冕中加速的太陽高能粒子一部分以輻射形式被釋放; 另一部分繼續(xù)向上傳播入射到CME 中, 在CME產(chǎn)生的激波中進(jìn)行重加速.兩個加速過程示意圖如圖7所示.太陽高能粒子在低日冕區(qū)加速后注入CME,對于高能段的太陽高能粒子, 在CME中的逃逸時間小于加速時間, 粒子很快就從CME中逃逸出來,從而在CME中沒有對高能段粒子進(jìn)行有效的重加速, 使高能段粒子能譜與低日冕中加速得到的能譜一樣陡.而對于低能段的太陽高能粒子, 在CME中的逃逸時間大于加速時間, 從而在CME中低能段粒子進(jìn)行了充分的重加速, 使低能段粒子能譜相比于日冕中加速得到的能譜要硬.另外, 太陽耀斑釋放的粒子在低日冕[23]的加速過程, 主要是粒子在太陽耀斑所引發(fā)的激波等離子體上端和下端來回加速.低能段與高能段能譜指數(shù)分別表示為高能段的能譜指數(shù)是低能段的2倍.在低日冕加速的太陽高能粒子的能譜指數(shù)Sl和St只依賴激波壓縮比r=u1/u2,u1和u2分別表示激波上端和下端等離子體流動的速度, 激波壓縮比r的取值一般為1.6—3[26].中子堆實驗給出的GLE72 事件高能段能譜指數(shù)為4.86, 由此計算得到的激波壓縮比r=1.78, 在1.6—3范圍內(nèi).那么低能段能譜指數(shù)就應(yīng)該是 4.86/2=2.43.但低能段粒子除了受上述日冕加速外, 還受到CME激波的加速, CME激波加速進(jìn)一步減小了粒子能譜指數(shù), 也就是說CME 加速后粒子能譜指數(shù)應(yīng)該小于2.43.利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)給出的能譜指數(shù)γ=1.88<2.43 , 與該結(jié)論相符合.

4 總 結(jié)

2017年9月10日太陽耀斑引發(fā)了地面宇宙線增長事件GLE72.本文分析了GOES15衛(wèi)星和地面中子堆實驗觀測數(shù)據(jù), 給出了GLE72事件質(zhì)子流強(qiáng)峰值能譜, 在5—433 MeV能區(qū)的峰值能譜指數(shù)為1.88, 在0.44—19 GeV能區(qū)的峰值能譜指數(shù)為4.86.利用太陽低日冕區(qū)和CME兩重加速機(jī)制合理解釋了能譜指數(shù)的上述變化.這些結(jié)果對太陽高能粒子和宇宙線物理研究具有參考意義.GLE事件的觀測研究也是高海拔宇宙線觀測站(LHA ASO)的主要研究課題之一, LHAASO對GLE事件觀測靈敏度的估計是一個重要問題.LHAASO觀測GLE事件的閾能比衛(wèi)星測量能量和某些地面中子堆站測量能量要高, 需要將較低能區(qū)的GLE能譜外推到LHAASO觀測能段.研究給出的GLE72峰值能譜就成為了LHAASO觀測GLE 事件的靈敏度估計基礎(chǔ).關(guān)于LHAASO觀測GLE事件靈敏度的估計我們將在接下來的工作中進(jìn)行專門計算研究.

GOES15衛(wèi)星對GLE72事件觀測的低能段(30 MeV及以下)質(zhì)子流強(qiáng)隨時間的變化中, 存在著明顯多峰復(fù)雜結(jié)構(gòu).這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)形成的具體原因和對峰值能譜的影響還需要進(jìn)一步研究.

感謝封莉、李哲和劉虎老師等有益討論.