Межзвездные магнитные поля

Первое свидетельство существования межзвёздного магнитного поля было получено итальянским физиком Эн-рико Ферми и американским учёным Эдвардом Теллером при изучении космических лучей. Космические лучи представляют собой высокоэнергичные заряженные частицы — протоны, электроны, ядра атомов гелия и других элементов, пронизывающие межзвёздное пространство. Интенсивность этих лучей не зависит от времени суток, а значит, они приходят к нам изотропно, т. е. одинаково со всех направлений. Изотропность излучения можно объяснить, предположив, что частицы движутся не по прямым, а по сложным и запутанным траекториям.
Искривить траекторию быстрой заряженной частицы может магнитное поле, действующее на неё с силой, направленной перпендикулярно вектору скорости. Эта сила заставляет частицу двигаться по винтовой линии, радиус которой пропорционален её импульсу и обратно пропорционален магнитной индукции. Для того чтобы космические лучи, несмотря на околосветовые скорости, не покидали пределы Галактики, магнитная индукция должна превосходить 1СГ6 гаусс (Гс; 1 Гс = Ю~4 тесла).
В 1948 г. советские и американские астрономы одновременно обнаружили явление межзвёздной поляризации света. Оказалось, что свет звёзд, проходя через межзвёздную пылевую материю, не только ослабляется, но и становится линейно поляризованным. А для этого необходимо, чтобы пылинки, во-первых, имели вытянутую форму и, во-вторых, были ориентированы в одном направлении. Последнее условие реализуется благодаря магнитному полю.
Прямым подтверждением наличия поля явилось открытие нетеплового, т. е. не связанного с нагретым веществом, радиоизлучения Галактики и некоторых туманностей, образовавшихся в результате взрывов сверхновых звёзд.
Шведские учёные X. Альвен и Н. Герлофсон в 1950 г. предположили, что источником нетеплового радиоизлучения служат релятивистские (т. е. имеющие околосветовые скорости) электроны, движущиеся в межзвёздном магнитном поле. При движении по винтовой линии электрон испытывает ускорение, направленное по радиусу, и по этой причине излучает электромагнитные волны. Такое излучение называется синхротронным (см. статью «Радиоастрономия»). Впоследствии гипотеза о релятивистских электронах в межзвёздном пространстве была развита в стройную теорию, объясняющую интенсивность, спектр и другие наблюдательные свойства радиоизлучения, приходящего из межзвёздного пространства.
И нетепловое радиоизлучение, и удержание космических лучей в Галактике говорят о том, что в межзвёздном пространстве есть магнитные поля с индукцией 10’6-Ю’5 Гс. По-видимому, эти поля возникли из начального очень слабого поля, усиленного благодаря движению межзвёздного газа. Магнитное поле присутствует не только в нашей, но и в других галактиках.
Современные методы исследований позволяют определять как величину, так и направление межзвёздного магнитного поля. Оказалось, что оно весьма неоднородно. Наша Галактика обладает крупномасштабным магнитным полем, регулярная составляющая которого в окрестностях Солнца равна приблизительно 2-Ю-6 Гс. Характерный размер областей, где поле имеет одно направление, 300-500 световых лет (для сравнения укажем, что диаметр Галактики около 100 тыс. световых лет). В спиральных галактиках линии магнитной индукции ориентированы преимущественно вдоль спиральных ветвей. Самых высоких значений, до 10’3 Гс, индукция достигает в наиболее плотных облаках межзвёздного газа.

РОЛЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЭВОЛЮЦИИ МЕЖЗВЁЗДНОЙ СРЕДЫ

Большие объёмы ионизованного газа и его высокая электропроводность приводят к тому, что межзвёздное магнитное поле оказывается тесно связанным с веществом, оно как бы вморожено в него. Поэтому если газ движется поперёк линий магнитной индукции, то, следуя за ним, силовые линии искривляются. И наоборот, перемещение линий магнитной индукции в пространстве увлекает за собой газ, через который они проходят. Благодаря такой «вмороженности» магнитное поле существенно влияет на движение и структуру межзвёздной среды. Например, волокнистая структура межзвёздных облаков и туманностей объясняется тем, что волокна вытянуты вдоль силовых линий поля.
В межзвёздной среде имеются неоднородности, размеры которых составляют несколько сот световых лет. Причиной их возникновения может быть неустойчивость замагниченно-го газового диска Галактики.
Как это происходит? Допустим, что силовые линии галактического магнитного поля сначала располагались примерно параллельно плоскости Галактики. В этом случае на межзвёздный газ действуют две противоположно направленные силы: гравитационное притяжение звёздного диска и давление магнитного поля. Пока эти силы равны между собой, газ находится в равновесии. Однако любое, даже малое перемещение газа к плоскости диска приведёт к искривлению линий магнитной индукции. Образуется магнитная яма, в которую под влиянием силы гравитации будут «соскальзывать» вдоль линий магнитного поля всё новые порции газа. Это вызовет ещё большее искривление силовых линий и углубление магнитной ямы.
Когда в магнитной яме накапливается достаточное количество газа, он становится непрозрачным для основных источников нагрева межзвёздной среды — жёсткого ультрафиолетового излучения звёзд и космических лучей не очень высокой энергии. Не испытывая нагрева, газ охлаждается и переходит в молекулярное состояние. Под действием собственной тяжести газ начинает разбиваться на сгустки и сжиматься. В результате создаются условия, при которых из холодного газа могут образовываться звёзды и их скопления.
Но замагниченное облако трудно сжать: этому препятствует растущее магнитное давление. Следовательно, в процессе формирования звезды условие «вмороженности» магнитного поля в вещество должно нарушаться. Это происходит тогда, когда из-за охлаждения газа концентрация заряженных частиц в нём резко уменьшается, так что отношение числа ионизованных частиц к нейтральным (так называемая степень ионизации) падает до очень малых значений (lO-i1-!*)-^). в результате электрическая проводимость газа снижается и магнитное поле перестаёт сдерживать сжатие. Газовые уплотнения превращаются в звёзды.
Через линии магнитной индукции ещё долго сохраняется связь сжимающегося облака с окружающим его веществом, что имеет большое значение при образовании вокруг зарождающихся звёзд газовых дисков. Звёзды типа Солнца посредством магнитного поля способны передать диску практически весь момент количества движения. Из диска могут сформироваться планеты, как это произошло в Солнечной системе, и тогда окажется, что центральная звезда затормозила своё вращение, зато планеты за счёт этого приобрели очень большой момент количества движения. Так, в Солнечной системе все планеты, вместе взятые, обладают всего 0,1% от массы Солнца, но при этом 98% момента количества движения приходится на их орбитальное движение и только 2% — на вращение Солнца. По-видимому, именно магнитное поле ответственно за такое распределение.
Таким образом, магнитное поле в межзвёздном пространстве и его связь с газом играют важную роль в сложном процессе образования звёзд и планет.