Магнетизм космоса: магнитные поля

Магнитные поля изрядно потрудились на протяжении формирования Солнца и его окружения. Они поддерживают стабильность галактических структур, воздействуют на космические лучи и руководят потрясающими по мощи процессами в нейтронных их окрестностях и звёздах. Космический магнетизм правит бал на всех уровнях организации отечественной Вселенной

Мощь магнетара Самый замечательный из гамма-всплесков магнетарного происхождения дошел до почвы 27 декабря 2004 года. Всего за пять мин. он выкинул в пространство почти 1040 дж электромагнитной энергии (солнцу для этого необходимо полмиллиона лет), причем приблизительно ее пятая часть, 1,3 х 1039 дж, ушла в пространство за 0,1 с). Данный же магнетар (sgr 1806−20) вспыхивал в 1979, 1980 и 1996 годах

Во второй половине 40-ых годов XX века американские астрологи Уильям Хилтнер и Джон Холл нашли не сильный поляризацию звездного света в отечественной Галактике. В отыскивании объяснений этого явления Хилтнер связал эту поляризацию с действием магнитного поля на пылевые частицы. Через год сотрудники Калтеха Леверетт Дэвис и Джесси Гринстайн оценили величину этого поля.

Позднее Хилтнер нашёл данный же эффект в галактике М31 (она же туманность Андромеды) и тем самым начал изучениекосмического магнетизма.

«Намагниченность» космического пространства определяют несколькими методами. Первый — по степени поляризации звездного света. Звездное излучение изначально поляризовано изотропно, но волны с разной поляризацией по-различному рассеиваются на частицах космической пыли, каковые вращаются около магнитных силовых линий: волна с линейной поляризацией, вектор которой ортогонален магнитному полю, поглощается посильнее остальных.

Таковой способ прекрасно трудится в спиральных галактиках, но не в эллиптических, где пыли мало.

направление и Величину галактических магнитных полей возможно кроме этого оценить методом анализа синхротронного излучения релятивистских электронов, каковые закручиваются около магнитных силовых линий. Такие электроны поставляются сверхновыми звездами, каковые редко загораются в эллиптических галактиках. О величине этих полей возможно делать выводы и по расщеплению спектральных линий атомов водорода, обусловленному эффектом Зеемана, но в эллиптических галактиках водорода опять-таки мало.

Происхождение галактических магнитных полей растолковывают две противоборствующие концепции. Энрико Ферми по окончании публикации первых результатов Хилтнера выдвинул догадку реликтового магнетизма, появившегося вскорости по окончании Громадного взрыва. Согласно его точке зрения, галактики захватили и усилили эти магнитные потоки, в следствии чего появились поля, каковые мы замечаем сейчас.

Британский астролог Фред Хойл выступил с важными возражениями, а американский астрофизик Юджин Паркер растолковывал галактический магнетизм круговыми перемещениями плазмы в их скоплениях и галактиках. Позднее эту модель галактического динамо развивали разные ученые (а также ив СССР).

«Теории реликтовых полей подчас выглядят очень элегантно, и кое-какие кроме того могут быть верными. Но, дабы это узнать, нужно совершенно верно измерить межгалактический магнетизм, а это еще никому не получалось, — растолковывает доктор наук астрономии Висконсинского университета Эллен Цвейбел. — Иное дело поля в галактических кластеров и галактик. Их появление прекрасно описывается теорией, предложенной 60 лет назад германским астрофизиком Людвигом Бирманном.

Данный механизм именуется батареей Бирманна. Магнитные поля смогут появляться и по-второму — скажем, при вращении плазмы, падающей на черную дыру. У природы имеется много способов усилить эту намагниченность — к примеру, при помощи сжатия космической плазмы ударными волнами.

Такие процессы всегда происходят в спиральных галактиках, что и снабжает стабильность их внутреннего магнетизма».

Но попытки измерить межгалактический магнетизм могут быть в полной мере успешными. Всего через полторы семь дней по окончании беседы с доктором наук Цвейбел сотрудник Калифорнийского технологического Шин-Ичиро Андо и его сотрудник из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Александр Кусенко сказали, что им, быть может, удалось зарегистрировать межгалактические магнитные поля. Эти поля должны пара размывать гамма-лучевые портреты активных центров галактик.

Андо и Кусенко утверждают, что им удалось найти такие «ореолы» на совмещенных изображениях 170 активных галактических центров, взятых космическим гамма-телескопом «Ферми» (Fermi Gamma-ray Space Telescope). Они оценили силу полей, которая была нежданно большой, порядка 10−15 гауссов. В случае если их выводы подтвердятся, открытие будет иметь огромное значение для космологии и астрономии.

Галактические магнитные поля связаны и с процессами рождения звезд. В далеком прошлом как мы знаем, что звезды появляются в следствии гравитационного сгущения холодных и относительно плотных туч космического газа. Такие облака, в каждом кубическом сантиметре которых содержится от десятка до миллиона частиц, подчас простираются на много световых лет.

Очень плотные и широкие тучи смогут дать начало сотням а также тысячам звезд. Процессы рождения звезд, по всей видимости, завершаются очень скоро, максимум за 10−15 млн лет. Но подробности этого процесса пока не ясны.

Практически все астрофизики согласны стем, что обычная звезда появляется в четыре этапа. Сперва газовое (либо газопылевое) облако фрагментируется и в нем образуются сгустки вещества повышенной плотности. После этого любой из сгустков сжимает сила тяготения, причем гравитационный коллапс начинается в центре сгустка и распространяется к периферии.

Так формируются сферические протозвезды, окруженные вращающимися плоскими дисками.

Но протозвезда не станет светилом, пока не позаимствует у диска изрядную долю его вещества. В случае если такое случилось (это уже третья стадия), протозвезда скоро получает дополнительную массу, еще больше сжимается и очень сильно разогревает собственное ядро. В итоге его температура достигает нескольких миллионов градусов и начинается термоядерное горение водорода.

Протозвезда преобразовывается в звезду.

Как поведала «ПМ» доктор наук астрономии Мэрилендского университета Ева Острикер, галактические магнитные поля играются важную роль в этих процессах. Дабы вещество диска аккретировало (падало) на протозвезду, оно должно утратить часть собственного вращательного момента. Этому именно и содействует магнитное поле. Уже на стадии образования диска оно искривляет пути протонов, каковые сталкиваются с нейтральными молекулами и кроме этого изменяют их траектории.

Это магнитное торможение ведет к происхождению внутреннего трения, уменьшающего вращательный момент. Позднее, в то время, когда диск обретает форму, вращение замедляется за счет другого физического механизма, магнито-ротационной неустойчивости, что связывает между собой внутренние и внешние пояса диска и заставляет первые вращаться медленней, а вторые стремительнее.

Жизнь звезд основной последовательности завершается превращением в компактные объекты — белые карлики, чёрные дыры и нейтронные звёзды. Последние не имеют собственного магнитного поля, владея только массой, электрическим зарядом и угловым моментом, а вот у остальных магнитные поля могут быть около фантастических значений.

Белый карлик образуется по окончании гравитационного коллапса исчерпавшей топливные запасы звезды, которая в юности тянула максимум на 8−10 солнечных весов. Из найденных в отечественной Галактике 2500 белых карликов более чем 90 процентов не владеют поддающимся измерению магнитным полем. Но остальные намагничены очень очень сильно — от 0,5 до 500 МГс.

Этим они обязаны коллапсу уже намагниченной материнской звезды, что хорошо сжимает ее магнитные силовые линии и тем самым в тысячи раз усиливает магнитное поле.

Но полные рекордсмены по магнитной части — нейтронные звезды. В большинстве случаев величина магнитного поля вблизи поверхности образовывает у них 1012 Гс, а время от времени в тысячи и сотни раз превышает эту величину. Звезды с полями в 1014—1015 Гс именуются магнетарами.

Общее число распознанных магнетаров и претендентов на это звание на данный момент превышает несколько десятков.

«Магнитные поля простых нейтронных звезд, как и поля белых карликов, появляются при коллапсе звезды-родительницы, но при неизмеримо большем сжатии. Магнитный поток таковой звезды замкнут в сферы радиусом около десяти километров (вместо нескольких тысяч километров у белого карлика), поле при аналогичной компрессии существенно посильнее, — говорит Виктория Каспи, доктор наук астрофизики Монреальского университета Макгилла и всемирный авторитет в области изучения нейтронных звезд. — Откуда же берется магнетизм, в случае если у нейтронов нет заряда?

Действительно, у них имеется магнитный момент, но он дает совсем мизерный вклад в магнитное поле. Дело в том, что такие звезды сложены не из одних лишь нейтронов. Их поверхностные слои, вероятнее, складываются из простой материи, да и в глубинах имеются заряженные частицы — электроны и протоны.

Они смогут принимать участие в конвективных процессах, порождающих в недрах звезды токи, каковые и становятся источником столь сильного магнитного поля. В недрах нейтронной звезды, происходящей от очень сильно намагниченной звезды основной последовательности и вращающейся со скоростью свыше тысячи оборотов в секунду, в первые мгновения судьбы включается замечательнейшее динамо, которое разгоняет величину магнитного поля до огромных значений».

К такому выводу 18 лет назад пришли принстонские физики Роберт Дункан и Кристофер Томпсон, каковые и придумали термин «магнетар». В соответствии с их теории, недра таковой нейтронной звезды всего за пара секунд остывают так, что конвекция заканчивается и динамо перестает трудиться.

Но сверхсильное магнитное поле сохраняется еще долго, потому, что оно вморожено в сверхтекучую жидкую среду, которая владеет очень высокой электропроводностью (нельзя исключать кроме того, что это сверхпроводник). Магнитное поле отбирает у звезды часть кинетической энергии и отдает ее в виде выбросов и радиации частиц. Исходя из этого период вращения магнетара скоро растет и всего за 10 000 лет достигает нескольких секунд.

Именно таковой угловой скоростью и владеют все узнаваемые сейчас магнетары.

Магнитная мощь нейтронных звезд превращает их в источники постоянного направленного радиоизлучения. Метод его генерации в подробностях еще не известен, но неспециализированное объяснение таково. Вращающееся магнитное поле нейтронной звезды индуцирует очень сильные электрические поля, отрывающие от ее поверхности заряженные частицы.

Эти частицы начинают двигаться по спиралям с весьма плотной намоткой, направленным на протяжении магнитных силовых линий. Такое перемещение порождает узкие пучки радиоволн, уходящих в пространство на протяжении магнитной оси нейтронной звезды. Потому, что эта ось не сходится с осью вращения, любой пучок радиоволн очерчивает в пространстве коническую поверхность.

При пересечении Почвы с таковой поверхностью радиотелескоп принимает радиоимпульсы, следующие приятель за втором с однообразными маленькими промежутками времени. Такие источники именуются радиопульсарами. Имеются и более редкие разновидности космических прожекторов — оптические, рентгеновские и гамма-пульсары.

Магнетары трудятся в противном случае. Эти экзотические звезды по паре раз облучают космос маленькими, но очень замечательными выбросами мягкого гамма-рентгена и излучения. «Считается, что в отечественной Галактике содержится от ста миллионов до миллиарда нейтронных звезд, причем каждая десятая из них в младенчестве была магнетаром, — говорит доктор физических наук Колумбийского университета Андрей Белобородов. — Все они покрыты жёсткой кристаллической корой толщиной до двух километров, окружающей сердцевину из жидкой вырожденной материи, где и сконцентрировано магнитное поле.

Поля магнетаров так сильны, что не в состоянии продолжительно сохранять стабильность. Мало-помалу они деформируются и вызывают в веществе оболочки сильные напряжения, локализованные на маленьких участках. В то время, когда напряжение превышает предел прочности коры, она лопается и ломается, причем весьма скоро, где-то за одну десятую долю секунды.

Магнитное поле в этом месте вырывается наружу и спирально закручивается, создавая сильнейшие возмущения магнитосферы. В следствии генерируются концентрированные пучки высокочастотных фотонов, каковые мы регистрируем в виде всплесков мягкого гамма-рентгена и излучения. В большинстве случаев, за первой огромной вспышкой следуют более не сильный, магнетар отключается неспешно».

Фотонный ветер

По словам астрофизика из Принстона Анатолия Спитковского, всплески появляются благодаря сильнейшего разогрева плазменной оболочки, окружающей магнетар. Из разлома коры вырывается огненный шар, излучающий гамма-рентгеновские фотоны и кванты. Потому, что магнетар скоро вращается, эти лучи уходят в различных направлениях и смогут в виде гамма-всплесков задеть отечественную планету.

Спитковский смоделировал данный процесс на компьютере и взял серию изображений

В феврале 2006 года японские астрофизики опубликовали модель рождения реликтовых магнитных полей

Они разглядели механизм, что имел возможность генерировать эти поля в промежутке между эрой первичного синтеза и возникновением нейтральных атомов. Простая материя тогда была тёплой плазмой, складывающейся из протонов с маленькой добавкой ядер дейтерия, гелия и лития, электронов и высокоэнергетичных фотонов. В данной плазме появлялись потоки фотонного ветра, дувшего из областей с высокой концентрацией квантов в территории, где их было меньше.

Фотонные струи увлекали за собой электроны, но фактически не оказывали влияние на тяжелые носители хорошего заряда. Перемещение электронов рождало вихревые токи, каковые и создали первичные магнитные поля протяженностью в миллионы световых лет. Данный механизм приостановил работу через 400 000 лет по окончании Громадного взрыва, в то время, когда свободные электроны объединились с ионами и прекратили взаимодействовать с фотонным газом.

По оценкам авторов, сила первичных полей составляла 10−18 гауссов в масштабе мегапарсеков, но на килопарсековой шкале имела возможность появляться в десятки и тысячи тысяч раз большей. За следующие миллиарды лет поля, рожденные этим механизмом, должны были очень сильно ослабеть и по сей день вряд ли превышают 10−24 гауссов.

Батарея Бирманна

Если не вдаваться в подробности, работу батареи Бирманна возможно пояснить на несложной модели.

Выделим в пространстве куб, заполненный электронно-протонной плазмой. Допустим, что по правую сторону температура сила и куба тяготения выше, нежели по левую. Примем кроме этого, что горизонтальный температурный градиент увеличивается при перемещении от верхней грани куба к нижней.

Такие ситуации в полной мере просты в звездных окрестностях. Что же случится? Гравитационное поле тянет протоны и электроны вправо, а перепад температур формирует давление, смещающее их к левой грани. Это давление не зависит от массы частиц, а вот сила тяготения ей пропорциональна. Получается, что электроны мигрируют влево стремительнее протонов.

Это ведет к происхождению горизонтального электрического поля, мешающего через чур сильному расхождению частиц с различными зарядами. Поле неоднородно: его величина возрастает по направлению к нижней грани, где температура изменяется посильнее. Исходя из этого оно генерирует замкнутые токи, соединяющие верхнюю и нижнюю области, каковые и создают магнитное поле.

Спирали и эллипсы

Магнитные особенности космоса Измерить магнитные поля в далеком космосе возможно лишь косвенными способами — по поляризации света либо анализу синхротронного излучения

Простая (барионная) материя космического пространства представляет собой всецело либо частично ионизированный газ, что есть хорошим проводником и исходя из этого надежно удерживает магнитные потоки, так что в межзвездной среде магнитные силовые линии фактически ни при каких обстоятельствах не исчезают всецело.

Вблизи Солнца средняя сила (правильнее, индукция) магнитного поля равна 6 мгс, а в центре отечественной галактики она достигает 20−40 микрогауссов. Такие показатели обычны и для других спиральных галактик. Магнитные поля внутри их дисков в среднем тянут на 10 микрогауссов (в галактических гало- в два раза меньше).

В галактиках, очень богатых газом и, как следствие, молодыми звездами, эта величина больше в 3−5 раз, а в их центральных территориях может быть больше и сотню микрогауссов. (для сравнения: поле у поверхности почвы варьирует в диапазоне 0,2−0,7 гаусса.) Эллиптические галактики бедны газом, и потому их магнитные поля большое количество не сильный. В том месте, где их удается измерить, они не превышают десятых долей микрогаусса.

Но, как уже говорилось, сделать это весьма непросто, исходя из этого сведения об их магнетизме весьма отрывочны. Поля с индукцией от нескольких единиц до десятков микрогауссов пронизывают и скопления галактик — галактические кластеры. Но в космическом пространстве, разделяющем такие кластеры, магнитные поля пока не найдены.

Если они и имеется, то очень не сильный и вероятнее сохранились со времени младенчества отечественной Вселенной.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№97, ноябрь 2010).

Случайные записи:

• Прибор рэлек изучит частицы, угрожающие космонавтам иаппаратуре
• Мечты обессмертии: кто хочет жить вечно

Магнитное поле Земли

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• Астрофизики добрались до межзвездного магнитного поля

  На основании наблюдений со спутника IBEX (НАСА) за частицами, летящими из космоса к Солнцу, и моделирования удалось выяснить параметры межзвездного…

• Ученые обнаружили, что грозы излучают потоки антивеществ в космос

  К громадному удивлению метеорологов и физиков, орбитальная гамма-обсерватория НАСА — Fermi поняла, что грозы излучают замечательные вспышки антивеществ в…

• Собаки иприматы видят магнитные поля

  Криптохромы — это обычная несколько светочувствительных молекул, каковые существуют в бактериях, животных и растениях. Вдобавок к регуляции циркадных…

• Темный космос: тяжесть невидимого

  Посредством телескопа «Хаббл» ученые из Калифорнийского технологического университета выстроили модель распределения чёрной материи в пространстве (на…