Магнитные поля галактик: что это и как они устроены

«Намагниченность» космического пространства определяют несколькими способами. Первый — по степени поляризации звездного света. Звездное излучение изначально поляризовано изотропно, но волны с различной поляризацией по-разному рассеиваются на частицах космической пыли, которые вращаются вокруг магнитных силовых линий: волна с линейной поляризацией, вектор которой ортогонален магнитному полю, поглощается сильнее остальных. Такой метод хорошо работает в спиральных галактиках, но не в эллиптических, где пыли очень мало.

Величину и направление галактических магнитных полей можно также оценить путем анализа синхротронного излучения релятивистских электронов, которые закручиваются вокруг магнитных силовых линий. Такие электроны поставляются сверхновыми звездами, которые редко загораются в эллиптических галактиках. О величине этих полей можно судить и по расщеплению спектральных линий атомов водорода, обусловленному эффектом Зеемана, но в эллиптических галактиках водорода опять-таки немного.

В феврале 2006 года японские астрофизики опубликовали модель рождения реликтовых магнитных полей. Они рассмотрели механизм, который мог генерировать эти поля в промежутке между эрой первичного нуклеосинтеза и появлением нейтральных атомов. Обычная материя тогда была горячей плазмой, состоящей из протонов с небольшой добавкой ядер дейтерия, гелия и лития, электронов и высокоэнергетичных фотонов. В этой плазме возникали потоки фотонного ветра, задувавшего из областей с высокой концентрацией квантов в зоны, где их было сравнительно меньше. Фотонные струи увлекали за собой электроны, но практически не влияли на тяжелые носители положительного заряда. Движение электронов рождало вихревые токи, которые и создали первичные магнитные поля протяженностью в миллионы световых лет. Этот механизм прекратил работать примерно через 400 тысяч лет после Большого Взрыва, когда свободные электроны объединились с ионами и перестали взаимодействовать с фотонным газом. По оценкам авторов, сила первичных полей составляла 10-18 гауссов в масштабе мегапарсеков, но на килопарсековой шкале могла оказаться в тысячи и десятки тысяч раз большей. За последующие миллиарды лет поля, рожденные этим механизмом, должны были сильно ослабеть и сейчас вряд ли превышают 10-24 гауссов.

Происхождение галактических магнитных полей объясняют две противоборствующие концепции. Энрико Ферми после публикации первых результатов Хилтнера выдвинул гипотезу реликтового магнетизма, возникшего вскорости после Большого взрыва. По его мнению, галактики захватили и усилили эти магнитные потоки, в результате чего возникли поля, которые мы наблюдаем сегодня. Английский астроном Фред Хойл выступил с серьезными возражениями, а американский астрофизик Юджин Паркер объяснял галактический магнетизм круговыми движениями плазмы в галактиках и их скоплениях. Позднее эту модель галактического динамо развивали различные ученые (в том числе ив СССР).

«Теории реликтовых полей подчас выглядят весьма элегантно, и некоторые даже могут оказаться верными. Однако, чтобы это выяснить, необходимо точно измерить межгалактический магнетизм, а это еще никому не удавалось, — объясняет профессор астрономии Висконсинского университета Эллен Цвейбел. — Иное дело поля внутри галактик и галактических кластеров. Их появление хорошо описывается теорией, предложенной 60 лет назад немецким астрофизиком Людвигом Бирманном. Этот механизм называется батареей Бирманна. Магнитные поля могут возникать и по-другому — скажем, при вращении плазмы, падающей на черную дыру. У природы есть немало способов усилить эту намагниченность — например, посредством сжатия космической плазмы ударными волнами. Такие процессы постоянно происходят в спиральных галактиках, что и обеспечивает стабильность их внутреннего магнетизма».

Однако попытки измерить межгалактический магнетизм могут оказаться вполне успешными. Всего через полторы недели после беседы с профессором Цвейбел сотрудник Калифорнийского технологического Шин-Ичиро Андо и его коллега из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Александр Кусенко сообщили, что им, возможно, удалось зарегистрировать межгалактические магнитные поля. Эти поля должны несколько размывать гамма-лучевые портреты активных центров галактик. Андо и Кусенко утверждают, что им удалось обнаружить такие «ореолы» на совмещенных изображениях 170 активных галактических центров, полученных космическим гамма-телескопом «Ферми» (Fermi Gamma-ray Space Telescope). Они оценили силу полей, которая оказалась неожиданно большой, порядка 10−15 гауссов. Если их выводы подтвердятся, открытие будет иметь огромное значение для астрономии и космологии.

Галактические магнитные поля связаны и с процессами рождения звезд. Давно известно, что звезды возникают в результате гравитационного сгущения холодных и сравнительно плотных облаков космического газа. Такие облака, в каждом кубическом сантиметре которых содержится от десятка до миллиона частиц, подчас простираются на сотни световых лет. Особо плотные и обширные облака могут дать начало сотням и даже тысячам звезд. Процессы рождения звезд, по всей видимости, завершаются весьма быстро, максимум за 10−15 млн лет. Но детали этого процесса пока не ясны.

Почти все астрофизики согласны стем, что типичная звезда возникает в четыре этапа. Сначала газовое (или газопылевое) облако фрагментируется и в нем образуются сгустки вещества повышенной плотности. Затем каждый 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. Если такое произошло (это уже третья стадия), протозвезда быстро приобретает дополнительную массу, еще больше сжимается и сильно разогревает собственное ядро. В конце концов его температура достигает нескольких миллионов градусов и начинается термоядерное горение водорода. Протозвезда превращается в звезду.

Как рассказала профессор астрономии Мэрилендского университета Ева Острикер, галактические магнитные поля играют немаловажную роль в этих процессах. Чтобы вещество диска аккретировало (падало) на протозвезду, оно должно потерять часть своего вращательного момента. Этому как раз и способствует магнитное поле. Уже на стадии образования диска оно искривляет пути протонов, которые сталкиваются с нейтральными молекулами и также изменяют их траектории. Это магнитное торможение приводит к возникновению внутреннего трения, уменьшающего вращательный момент. Позднее, когда диск обретает форму, вращение замедляется за счет другого физического механизма, магнито-ротационной неустойчивости, который связывает между собой внутренние и внешние пояса диска и заставляет первые вращаться медленней, а вторые быстрее.

Если не вдаваться в детали, работу батареи Бирманна можно пояснить на простой модели. Выделим в пространстве куб, заполненный электронно-протонной плазмой. Допустим, что по правую сторону куба сила тяготения и температура выше, нежели по левую. Примем также, что горизонтальный температурный градиент нарастает при движении от верхней грани куба к нижней. Такие ситуации вполне обычны в звездных окрестностях. Что же произойдет? Гравитационное поле тянет электроны и протоны вправо, а перепад температур создает давление, смещающее их к левой грани. Это давление не зависит от массы частиц, а вот сила тяготения ей пропорциональна. Получается, что электроны мигрируют влево быстрее протонов. Это приводит к возникновению горизонтального электрического поля, препятствующего слишком сильному расхождению частиц с разными зарядами. Поле неоднородно: его величина возрастает по направлению к нижней грани, где температура изменяется сильнее. Поэтому оно генерирует замкнутые токи, соединяющие верхнюю и нижнюю области, которые и создают магнитное поле.

Жизнь звезд главной последовательности завершается превращением в компактные объекты — белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Последние не имеют собственного магнитного поля, обладая лишь массой, угловым моментом и электрическим зарядом, а вот у остальных магнитные поля могут достигать фантастических значений.

Белый карлик образуется после гравитационного коллапса исчерпавшей топливные запасы звезды, которая в молодости тянула максимум на 8−10 солнечных масс. Из обнаруженных в нашей Галактике 2500 белых карликов более чем 90% не обладают поддающимся измерению магнитным полем. Зато остальные намагничены весьма сильно — от 0,5 до 500 МГс. Этим они обязаны коллапсу уже намагниченной материнской звезды, который плотно сжимает ее магнитные силовые линии и тем самым в тысячи раз усиливает магнитное поле.

Но абсолютные рекордсмены по магнитной части — нейтронные звезды. Обычно величина магнитного поля вблизи поверхности составляет у них 1012 Гс, а иногда в сотни и тысячи раз превышает эту величину. Звезды с полями в 1014—1015 Гс называются магнетарами. Общее количество выявленных магнетаров и претендентов на это звание сейчас превышает пару десятков.

«Магнитные поля обычных нейтронных звезд, как и поля белых карликов, возникают при коллапсе звезды-родительницы, но при неизмеримо большем сжатии. Магнитный поток такой звезды замкнут внутри сферы радиусом около 10 км (вместо нескольких тысяч километров у белого карлика), поле при подобной компрессии значительно сильнее, — говорит Виктория Каспи, профессор астрофизики Монреальского университета Макгилла и мировой авторитет в области исследования нейтронных звезд. — Откуда же берется магнетизм, если у нейтронов нет электрического заряда? Правда, у них есть магнитный момент, но он дает совершенно мизерный вклад в магнитное поле. Дело в том, что такие звезды сложены не из одних только нейтронов. Их поверхностные слои, скорее всего, состоят из обычной материи, да и в глубинах имеются заряженные частицы — протоны и электроны. Они могут участвовать в конвективных процессах, порождающих в недрах звезды токи, которые и становятся источником столь сильного магнитного поля. В недрах нейтронной звезды, происходящей от сильно намагниченной звезды главной последовательности и вращающейся со скоростью более тысячи оборотов в секунду, в первые мгновения жизни включается мощнейшее динамо, которое разгоняет величину магнитного поля до гигантских значений».

К такому выводу 18 лет назад пришли принстонские физики Роберт Дункан и Кристофер Томпсон, которые и придумали термин «магнетар». Согласно их теории, недра такой нейтронной звезды всего за несколько секунд остывают настолько, что конвекция прекращается и динамо перестает работать. Однако сверхсильное магнитное поле сохраняется еще долго, поскольку оно вморожено в сверхтекучую жидкую среду, которая обладает чрезвычайно высокой электропроводностью (не исключено даже, что это сверхпроводник). Магнитное поле отбирает у звезды часть кинетической энергии и отдает ее в виде радиации и выбросов частиц. Поэтому период вращения магнетара быстро растет и всего за 10 000 лет достигает нескольких секунд. Как раз такой угловой скоростью и обладают все известные ныне магнетары.

Магнитная мощь нейтронных звезд превращает их в источники непрерывного направленного радиоизлучения. Способ его генерации в деталях еще не известен, но общее объяснение таково. Вращающееся магнитное поле нейтронной звезды индуцирует чрезвычайно сильные электрические поля, отрывающие от ее поверхности заряженные частицы. Эти частицы начинают двигаться по спиралям с очень плотной намоткой, направленным вдоль магнитных силовых линий. Такое движение порождает узкие пучки радиоволн, уходящих в пространство вдоль магнитной оси нейтронной звезды. Поскольку эта ось не совпадает с осью вращения, каждый пучок радиоволн очерчивает в пространстве коническую поверхность. При пересечении Земли с такой поверхностью радиотелескоп принимает радиоимпульсы, следующие друг за другом с одинаковыми короткими промежутками времени. Такие источники называются радиопульсарами. Имеются и более редкие разновидности космических прожекторов — оптические, рентгеновские и гамма-пульсары.

Магнетары работают иначе. Эти экзотические звезды по несколько раз облучают космос короткими, но чрезвычайно мощными выбросами мягкого гамма-излучения и рентгена. «Считается, что в нашей Галактике содержится от ста миллионов до миллиарда нейтронных звезд, причем каждая десятая из них в младенчестве была магнетаром, — рассказывает профессор физики Колумбийского университета Андрей Белобородов. — Все они покрыты твердой кристаллической корой толщиной до 2 км, окружающей сердцевину из жидкой вырожденной материи, где и сконцентрировано магнитное поле. Поля магнетаров настолько сильны, что не в состоянии долго сохранять стабильность. Мало-помалу они деформируются и вызывают в веществе оболочки сильные напряжения, локализованные на небольших участках. Когда напряжение превышает предел прочности коры, она лопается и ломается, причем очень быстро, где-то за одну десятую долю секунды. Магнитное поле в этом месте вырывается наружу и спирально закручивается, создавая сильнейшие возмущения магнитосферы. В результате генерируются концентрированные пучки высокочастотных фотонов, которые мы регистрируем в виде всплесков мягкого гамма-излучения и рентгена. Как правило, за первой гигантской вспышкой следуют более слабые, магнетар отключается постепенно».