1. фотонний вітер
2. Звідки береться магнетизм
3. Магнетизм і зоряні пологи
4. батарея Бірманна
5. Життя після смерті
6. Пульсари і магнетари

Зазвичай магнітні поля асоціюють з планетами і зірками. Але і у галактик такі поля теж є.

У 1949 році американські астрономи Вільям Хілтнер і Джон Холл виявили слабку поляризацію зоряного світла в нашій Галактиці. У пошуках пояснень цього явища Хілтнер пов'язав цю поляризацію з дією магнітного поля на пилові частинки. Через рік співробітники Калтеха Льоверетт Девіс і Джессі Грінстайн оцінили величину цього поля. Пізніше Хілтнер виявив цей же ефект в галактиці М31 (вона ж туманність Андромеди) і тим самим поклав початок вивченню космічного магнетизму.

«Намагніченість» космічного простору визначають кількома способами. Перший - за ступенем поляризації зоряного світла. Зоряне випромінювання спочатку поляризоване изотропно, але хвилі з різною поляризацією по-різному розсіюються на частках космічного пилу, які обертаються навколо магнітних силових ліній: хвиля з лінійною поляризацією, вектор якої ортогонален магнітному полю, поглинається сильніше інших. Такий метод добре працює в спіральних галактиках, але не в еліптичних, де пилу дуже мало.

За словами астрофізика з Прінстона Анатолія Спітковского, сплески виникають внаслідок найсильнішого розігріву плазмової оболонки, що оточує магнетар. З розлому кори виривається вогняна куля, який випромінює гамма-кванти і рентгенівські фотони. Оскільки магнетар швидко обертається, ці промені йдуть в різних напрямках і можуть зачепити нашу планету, проявляючи себе у вигляді гамма-сплесків. Спітковскій змоделював цей процес на комп'ютері і отримав серію зображень.

Величину і напрям галактичних магнітних полів можна також оцінити шляхом аналізу синхротронного випромінювання релятивістських електронів, які закручуються навколо магнітних силових ліній. Такі електрони поставляються надновими зірками, які рідко спалахують в еліптичних галактиках. Про величину цих полів можна судити і по розщепленню спектральних ліній атомів водню, зумовленого ефектом Зеемана, але в еліптичних галактиках водню знову-таки трохи.

фотонний вітер

У лютому 2006 року японські астрофізики опублікували модель народження реліктових магнітних полів. Вони розглянули механізм, який міг генерувати ці поля в проміжку між ерою первинного нуклеосинтеза і появою нейтральних атомів. Звичайна матерія тоді була гарячою плазмою, що складається з протонів з невеликою добавкою ядер дейтерію, гелію і літію, електронів і високоенергетичних фотонів. У цій плазмі виникали потоки фотонного вітру, задуває з областей з високою концентрацією квантів в зони, де їх було порівняно менше. Фотонні струменя захоплювали за собою електрони, але практично не впливали на важкі носії позитивного заряду. Рух електронів народжувало вихрові струми, які і створили первинні магнітні поля протяжністю в мільйони світлових років. Цей механізм припинив працювати приблизно через 400 тисяч років після Великого Вибуху, коли вільні електрони об'єдналися з іонами і перестали взаємодіяти з фотонним газом. За оцінками авторів, сила первинних полів становила 10-18 гаусів в масштабі мегапарсек, але на кілопарсековой шкалою могла виявитися в тисячі і десятки тисяч разів більшою. За наступні мільярди років поля, народжені цим механізмом, повинні були сильно ослабнути і зараз навряд чи перевищують 10-24 гаусів.

Звідки береться магнетизм

Походження галактичних магнітних полів пояснюють дві протиборчі концепції. Енріко Фермі після публікації перших результатів Хілтнера висунув гіпотезу реліктового магнетизму, що виник незабаром після Великого вибуху. На його думку, галактики захопили і посилили ці магнітні потоки, в результаті чого виникли поля, які ми спостерігаємо сьогодні. Англійський астроном Фред Хойл виступив з серйозними запереченнями, а американський астрофізик Юджин Паркер пояснював галактичний магнетизм круговими рухами плазми в галактиках і їх скупчення. Пізніше цю модель галактичного динамо розвивали різні вчені (в тому числі і в СРСР).

«Теорії реліктових полів часом виглядають досить елегантно, і деякі навіть можуть виявитися вірними. Однак, щоб це з'ясувати, необхідно точно виміряти міжгалактичний магнетизм, а це ще нікому не вдавалося, - пояснює професор астрономії університету Вісконсіна Еллен Цвейбел. - Інша річ поля всередині галактик і галактичних кластерів. Їх поява добре описується теорією, запропонованою 60 років тому німецьким астрофізиком Людвігом Бірман. Цей механізм називається батареєю Бірманна. Магнітні поля можуть виникати і по-іншому - скажімо, при обертанні плазми, що падає на чорну діру. У природи є чимало способів посилити цю намагніченість - наприклад, за допомогою стиснення космічної плазми ударними хвилями. Такі процеси постійно відбуваються в спіральних галактиках, що і забезпечує стабільність їх внутрішнього магнетизму ».

Однак спроби виміряти міжгалактичний магнетизм можуть виявитися цілком успішними. Всього через півтора тижні після бесіди з професором Цвейбел співробітник Каліфорнійського технологічного Шин-Ічіро Андо і його колега з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі Олександр Кусенко повідомили, що їм, можливо, вдалося зареєструвати міжгалактичні магнітні поля. Ці поля повинні кілька розмивати гамма-променеві портрети активних центрів галактик. Андо і Кусенко стверджують, що їм вдалося виявити такі «ореоли» на суміщених зображеннях 170 активних галактичних центрів, отриманих космічним гамма-телескопом "Фермі" (Fermi Gamma-ray Space Telescope). Вони оцінили силу полів, яка виявилася несподівано великою, порядку 10-15 гаусів. Якщо їх висновки підтвердяться, відкриття буде мати величезне значення для астрономії і космології.

Найпотужніший з гамма-сплесків магнетарного походження дійшов до землі 27 грудня 2004 року. Всього за п'ять хвилин він викинув в простір без малого 1040 Дж електромагнітної енергії (Cолнце для цього потрібно півмільйона років), причому приблизно її п'ята частина, 1,3 х +1039 дж, пішла в простір за 0,1 с. Цей же магнетар (sgr 1806-20) спалахував в 1979, 1980 і 1996 роках.

Магнетизм і зоряні пологи

Галактичні магнітні поля пов'язані і з процесами народження зірок. Давно відомо, що зірки виникають в результаті гравітаційного згущення холодних і порівняно щільних хмар космічного газу. Такі хмари, в кожному кубічному сантиметрі яких міститься від десятка до мільйона частинок, часом тягнуться на сотні світлових років. Особливо щільні і великі хмари можуть дати початок сотням і навіть тисячам зірок. Процеси народження зірок, як видно, завершуються дуже швидко, максимум за 10-15 млн років. Але деталі цього процесу поки не ясні.

Майже всі астрофізики згодні стем, що типова зірка виникає в чотири етапи. Спочатку газове (або газопилову) хмара фрагментируется і в ньому утворюються згустки речовини підвищеної щільності. Потім кожен з згустків стискає сила тяжіння, причому гравітаційний колапс починається в центрі згустку і поширюється до периферії. Так формуються сферичні протозвезди, оточені обертовими плоскими дисками.

Але протозвезда не стане світилом, поки не запозичить у диска неабияку частку його речовини. Якщо таке сталося (це вже третя стадія), протозвезда швидко набуває додаткової масу, ще більше стискається і сильно розігріває власне ядро. Врешті-решт його температура досягає декількох мільйонів градусів і починається термоядерний горіння водню. Протозірка перетворюється в зірку.

Як розповіла «ПМ» професор астрономії Мерілендського університету Єва Острікер, галактичні магнітні поля грають важливу роль в цих процесах. Щоб речовина диска аккретіровало (падало) на протозірку, воно повинно втратити частину свого обертального моменту. Цьому якраз і сприяє магнітне поле. Вже на стадії освіти диска воно викривляє шляхи протонів, які стикаються з нейтральними молекулами і також змінюють їх траєкторії. Це магнітне гальмування призводить до виникнення внутрішнього тертя, що зменшує обертальний момент. Пізніше, коли диск знаходить форму, обертання сповільнюється за рахунок іншої фізичної механізму, магніто-ротаційної нестійкості, який пов'язує між собою внутрішні і зовнішні пояса диска і змушує перші обертатися повільніше, а другі швидше.

батарея Бірманна

Якщо не вдаватися в деталі, роботу батареї Бірманна можна пояснити на простої моделі. Виділимо в просторі куб, заповнений електронно-протонної плазмою. Припустимо, що по праву сторону куба сила тяжіння і температура вище, ніж по ліву. Приймемо також, що горизонтальний температурний градієнт наростає при русі від верхньої межі куба до нижньої. Такі ситуації цілком звичайні в зіркових околицях. Що ж станеться? Гравітаційне поле тягне електрони і протони вправо, а перепад температур створює тиск, що зміщує їх до лівої межі. Це тиск не залежить від маси частинок, а ось сила тяжіння їй пропорційна. Виходить, що електрони мігрують вліво швидше протонів. Це призводить до виникнення горизонтального електричного поля, що перешкоджає занадто сильному розбіжності частинок з різними зарядами. Поле неоднорідне: його величина зростає у напрямку до нижньої межі, де температура змінюється сильніше. Тому воно генерує замкнуті струми, що з'єднують верхню і нижню області, які і створюють магнітне поле.

Життя після смерті

Життя зірок головної послідовності завершується перетворенням в компактні об'єкти - білі карлики, нейтронні зірки і чорні діри. Останні не мають власного магнітного поля, володіючи лише масою, кутовим моментом і електричним зарядом, а ось у інших магнітні поля можуть досягати фантастичних значень.

Білий карлик утворюється після гравітаційного колапсу вичерпала паливні запаси зірки, яка в молодості тягнула максимум на 8-10 сонячних мас. З виявлених в нашій Галактиці 2500 білих карликів більш ніж 90% не володіють піддається вимірюванню магнітним полем. Зате інші намагнічені вельми сильно - від 0,5 до 500 МГС. Цим вони зобов'язані колапсу вже намагніченою материнської зірки, який щільно стискає її магнітні силові лінії і тим самим в тисячі разів підсилює магнітне поле.

Спіралі і еліпси Звичайна (баріонів) матерія космічного простору являє собою повністю або частково іонізований газ, який є хорошим провідником і тому надійно утримує магнітні потоки, так що в міжзоряному середовищі магнітні силові лінії практично ніколи не зникають повністю. Поблизу Сонця середня сила (точніше, індукція) магнітного поля дорівнює 6 мікрогауссам, а в центрі нашої Галактики вона досягає 20-40 мікрогауссов. Такі показники типові й для інших спіральних галактик. Магнітні поля всередині їхніх дисків в середньому тягнуть на 10 мікрогауссов (в галактичних гало - вдвічі менше). В галактиках, особливо багатих газом і, як наслідок, молодими зірками, ця величина більше в 3-5 разів, а в їх центральних зонах може перевищувати і сотню мікрогауссов. (Для порівняння: поле біля поверхні Землі варіює в діапазоні 0,2-0,7 Гаусса). Еліптичні галактики бідні газом, і тому їх магнітні поля багато слабкіше. Там, де їх вдається виміряти, вони не перевищують десятих часток мікрогаусса. Однак, як уже говорилося, зробити це дуже непросто, тому відомості про їх магнетизм дуже уривчасті. Поля з індукцією від декількох мікрогауссов до десятків мікрогауссов пронизують і скупчення галактик - галактичні кластери. Але в космічному просторі, що розділяє такі кластери, магнітні поля поки не виявлені. Якщо вони і є, то надзвичайно слабкі і швидше за все збереглися з часу дитинства нашого Всесвіту.

Але абсолютні рекордсмени за магнітної частини - нейтронні зірки. Зазвичай величина магнітного поля поблизу поверхні становить у них 1012 Гс, а іноді в сотні і тисячі разів перевищує цю величину. Зірки з полями в 1014-1015 Гс називаються магнетари. Загальна кількість виявлених магнетарів і претендентів на це звання зараз перевищує пару десятків.

«Магнітні поля звичайних нейтронних зірок, як і поля білих карликів, виникають при колапсі зірки-матері, але при незмірно більшому стисканні. Магнітний потік такої зірки замкнутий всередині сфери радіусом близько 10 км (замість декількох тисяч кілометрів у білого карлика), поле при подібній компресії значно сильніше, - каже Вікторія Каспі, професор астрофізики Монреальського університету Макгілла і світовий авторитет в області дослідження нейтронних зірок. - Звідки ж береться магнетизм, якщо у нейтронів немає електричного заряду? Правда, у них є магнітний момент, але він дає абсолютно мізерний вклад в магнітне поле. Справа в тому, що такі зірки складені не з одних лише нейтронів. Їх поверхневі шари, швидше за все, складаються зі звичайної матерії, так і в глибинах є заряджені частинки - протони й електрони. Вони можуть брати участь в конвективних процесах, що породжують в надрах зірки струми, які і стають джерелом такого сильного магнітного поля. У надрах нейтронної зірки, що походить від сильно намагніченої зірки головної послідовності і обертається зі швидкістю понад тисячу оборотів в секунду, в перші миті життя включається найпотужніше динамо, яке розганяє величину магнітного поля до гігантських значень ».

До такого висновку 18 років тому прийшли Прінстонського фізики Роберт Дункан і Крістофер Томпсон, які і придумали термін «магнетар». Згідно з їхньою теорією, надра такої нейтронної зірки всього за кілька секунд остигають настільки, що конвекція припиняється і динамо перестає працювати. Однак сверхсильное магнітне поле зберігається ще довго, оскільки воно вморожени в надплинну рідку середу, яка має надзвичайно високу електропровідність (не виключено навіть, що це надпровідник). Магнітне поле відбирає у зірки частина кінетичної енергії і віддає її у вигляді радіації і викидів частинок. Тому період обертання магнетара швидко зростає і всього за 10 000 років досягає декількох секунд. Якраз такий кутовий швидкістю і мають всі відомі нині магнетари.

Пульсари і магнетари

Магнітна міць нейтронних зірок перетворює їх в джерела безперервного спрямованого радіовипромінювання. Спосіб його генерації в деталях ще не відомий, але загальне пояснення таке. Обертове магнітне поле нейтронної зірки індукує надзвичайно сильні електричні поля, що відривають від її поверхні заряджені частинки. Ці частинки починають рухатися по спіралях з дуже щільною намотуванням, спрямованим уздовж магнітних силових ліній. Такий рух породжує вузькі пучки радіохвиль, що йдуть в простір уздовж магнітної осі нейтронної зірки. Оскільки ця вісь не збігається з віссю обертання, кожен пучок радіохвиль окреслює в просторі конічну поверхню. При перетині Землі з такою поверхнею радіотелескоп приймає радіоімпульси, наступні один за одним з однаковими короткими проміжками часу. Такі джерела називаються радіопульсари. Є і більш рідкісні різновиди космічних прожекторів - оптичні, рентгенівські і гамма-пульсари.

Магнетари працюють інакше. Ці екзотичні зірки по кілька разів опромінюють космос короткими, але надзвичайно потужними викидами м'якого гамма-випромінювання і рентгена. «Вважається, що в нашій Галактиці міститься від ста мільйонів до мільярда нейтронних зірок, причому кожна десята з них в дитинстві була магнетари, - розповідає професор фізики Колумбійського університету Андрій Бєлобородов. - Всі вони покриті твердою кристалічною корою товщиною до 2 км, навколишнього серцевину з рідкої вироджених матерії, де і сконцентровано магнітне поле. Поля магнетарів настільки сильні, що не в змозі довго зберігати стабільність. Мало-помалу вони деформуються і викликають в речовині оболонки сильні напруги, локалізовані на невеликих ділянках. Коли напруга перевищує межу міцності кори, вона лопається і ламається, причому дуже швидко, десь за одну десяту частку секунди. Магнітне поле в цьому місці виривається назовні і спірально закручується, створюючи сильні обурення магнітосфери. В результаті генеруються концентровані пучки високочастотних фотонів, які ми реєструємо в вигляді сплесків м'якого гамма-випромінювання і рентгена. Як правило, за першої гігантської спалахом слідують слабші, магнетар відключається поступово ».

Стаття «Магнетизм космосу» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №11, Січень 2010 ).