МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ В ГАЛАКТИКЕ

Подойдем теперь к проблеме космических лучей с другой стороны — будем рассматривать их как индикатор существования магнитных полей в Галактике. И изотропия космических лучей, и большие размеры галактической короны как источника нетеплового радиоизлучения указывают на очень далекое простирание магнитного поля Галактики от центра ее и на замкнутость этого поля, иначе частицы космических лучей быстро покинули бы Галактику и мы не наблюдали бы их до ближайшей очередной вспышки сверхновой. Космические частицы движутся по геликоидальным траекториям вдоль магнитных силовых линий Галактики. Часть их, конечно, может медленно диффундировать в метагалактическое пространство, именно те из них, которые обладают очень высокой энергией и могут преодолевать сопротивление магнитного поля, слабого на периферии Галактики. Потери через диффузию покрываются инжекцией их при вспышках сверхновых.

Остается рассмотреть вопрос: каково происхождение магнитного поля Галактики?

Одним из наиболее вероятных механизмов возникновения межзвездного магнитного поля является диффузионное разделение ионов и электронов. При образовании уплотнения в гало или при подъеме температуры электроны благодаря своим большим скоростям будут рассасываться быстрее, чем ионы. Дифференциация зарядов быстро затормозит этот процесс, но не полностью. Часть электронов вступит в вихревое движение по замкнутому контуру без образования объемного заряда. Возникает ток, первоначально очень слабый, возникает и слабое магнитное поле.

Коль скоро магнитное поле возникло, оно может усиливаться до высокого уровня с помощью того же механизма, что и в динамомашинах, за счет энергии беспорядочных движений плазмы. Такие движения встречаются в газовых туманностях и в облаках — сгущениях, которые проявляют себя линиями поглощения CaII и NaII. Они достигают скоростей в несколько километров в секунду. Кроме того, сами облака движутся с индивидуальными неупорядоченными скоростями до 10 км/с.

Как мы видели в § 2, из-за того, что магнитное поле вморожено в плазму, пока кинетическая энергия плазмы превышает энергию магнитного поля плазма увлекает за собой поле и запутывает его, что приводит к нарастанию напряженности поля. Когда хотя бы приближенно будет достигнуто равенство

    (29.12)

магнитное поле начнет противодействовать движению плазмы, заставит ее двигаться только вдоль магнитных силовых линий (отвлекаясь от вращения частицы около силовой линии) такими движениями, которые будут распутывать поле, делать и его и движения ионизованного газа более упорядоченным; конечно, рост величины Н прекратится.

Вследствие флуктуаций плотности вещества и скорости движения его местные значения напряженности магнитного поля в межзвездном пространстве могут подвергаться большим колебаниям. Мы уже делали такое допущение, когда говорили об инжекции электронов в магнитные поля во время вспышки сверхновой. О том же говорят направления вытянутости волокон у многих волокнистых туманностей — часто оно совпадает с направлением вектора поляризации окрестных звезд (Г. А. Шайн). У тех волокнистых туманностей, которые из-за наличия в них радиоизлучения можно рассматривать как остатки давних вспышек сверхновых (например, IС 443 в Близнецах или NGC 6960 в Лебеде, изображенной на рис. 160), хорошо заметна одинаковая ориентация волокон под большим углом к галактическому экватору. Волокна эти можно считать остатками оболочки сверхновой, выброшенными вместе с вмороженными в них местными магнитными полями.

Среднее значение напряженности магнитного поля в Галактике, естественно, будет определяться формулой (29.12), и если мы примем значения атома водорода в , то найдем . При скорости движения значение Н вырастет до а при плотности 10 атомов водорода в 1 см3 Н превзойдет . В конце § 26 мы видели, что для объяснения поляризации света звезд парамагнитной ориентацией пылинок такое напряжение поля достаточно.

Здесь возникает одна особенность. Мы говорили о беспорядочных движениях плазмы, а поляризация света звезд указывает на упорядоченность магнитных полей в Галактике. Как видно из рис. 164, направления преимущественных колебаний электрических векторов света звезд согласованы в областях неба, где луч зрения идет перпендикулярно к направлению спирали Млечного Пути, и они же совершенно рассогласованы, когда исследуемые звезды рассматриваются наблюдателем вдоль спирали. Мы истолковали это ранее как результат действия систематического магнитного поля в спиральном рукаве, направленном вдоль рукава, и нет оснований отказываться от этого объяснения сейчас. Более того, динамические соображения позволяют рассматривать это продольное магнитное поле как стабилизующее спиральную ветвь по отношению к боковому расширению или сжатию. Оказывается, для этого достаточна напряженность . На такое систематическое поле накладываются местные поля, которые делают направления движения разгоняемых частиц беспорядочными.

К сожалению, прямых доказательств существования однородного магнитного поля в Галактике мы не имеем. Можно искать это поле по эффекту Зеемана в линии 21 см водорода. У близких источников радиоизлучения эта линия наблюдается в поглощении и очень тонка. Зеемановское расщепление такой линии в продольном поле достигает нескольких десятков герц при напряженности в .

Такая величина обнаружена в радиоастрономическом варианте эксперимента, обнаруживающего магнитные поля на Солнце (§ 6), где используется противоположная круговая поляризация зеемановских компонент в продольном поле.

Рис. 164. Поляризация света звезд в двух областях Млечного Пути. Черточки указывают направление преимущественных колебаний электрического вектора световых колебаний, длина черточки пропорциональна степени поляризации. Вверху — область близ антицентра Галактики, где луч зрения идет поперек ветви спирали; внизу — область (в Лебеде), где луч зрения идет вдоль ветви спирали

Соответствующие поляризационные наблюдения трех радиоисточников были поставлены и привели к тому, что напряжение магнитного поля отдельных сгустков в спиральных ветвях Галактики не превосходит ; это не противоречит нашим прикидочным расчетам, сделанным ранее.

Прямые измерения магнитного поля в Солнечной системе, выполненные на космических ракетах, дали значения напряженности , что, по-видимому, является верхним пределом для галактического магнитного поля, так как в окрестностях Солнца оно может быть усилено местными причинами.

Но для нас важно поле не в плоскости Галактики, где расположены спиральные ветви, а вдали от галактического центра и плоскости — в галактической короне. Заметим прежде всего, что газ, находящийся около основной плоскости Галактики, будучи нагрет, расширяется, поднимается над этой плоскостью, стремясь к сферическому распределению. Причиной нагрева могут быть столкновения газопылевых облаков между собой, появление молодых горячих звезд. Поднявшиеся над основной плоскостью горячие массы охлаждаются и падают обратно к этой плоскости. Так могут появляться и некоторое время поддерживаться магнитные поля вне плоскости Галактики, но только вблизи нее. Но газовые частицы, находящиеся вне облаков и между спиральными ветвями, в очень разреженной среде должны противодействовать давлению более плотных газовых образований и магнитному давлению со стороны их полей. Частицы космических лучей в состоянии это сделать, так как их газовое давление на намагниченную среду, равное

    (29.13)

где Е — плотность кинетической энергии, как раз имеет порядок — порядок величины магнитного давления (§ 6, с. 82) поля, удерживающего космические лучи от разлетания. Температура газа, состоящего из частиц космических лучей, достигает (см. формулу (29.11)] триллионов градусов. При более высокой плотности, например, 0,0001 частицы в 1 см3 газ в состоянии противодействовать магнитным полям и при более низкой температуре, например, в несколько десятков тыс. Кельвинов. Фактически температура должна быть выше, так как в короне газовое давление должно прежде всего уравновешивать силу тяжести, иначе корона спадается. Простой расчет показывает, что для этого необходима . С другой стороны, сила тяжести удерживает также силы магнитного давления и давления космических лучей, направленные наружу. Для того чтобы это удалось, необходима плотность газа несколько большая, чем частиц в , т. е. порядка , а тогда формула (29.13) приводит к скорости которая превосходит звуковую скорость, если . Возникающие в диске Галактики нарушения равновесия распространяются в короне как ударные волны, в которых диссипация энергии очень велика. Тем не менее газ короны может длительно оставаться при столь высокой температуре. За фронтом ударной волны происходит нагрев, так что новые волны не будут сверхзвуковыми, новый нагрев и диссипация не возникают более, а охлаждение газа происходит медленно, так как газ очень разрежен. Скорость его частиц такова, что он расширяется далеко за пределы диска Галактики и вместе с космическими лучами увлекает местные магнитные поля далеко в галактическую корону. Таким образом, космические лучи и горячий крайне разреженный газ , «поднявшиеся» от основного «тела» Галактики, образуют галактическую корону (С. Б. Пикельнер), где разыгрываются явления нетермического радиоизлучения и совершают гигантские траектории частицы космических лучей (вероятность столкновений с ядрами очень мала). Поскольку они попадают сюда из внутренних частей Галактики, а своих источников в короне нет, то их плотность на порядок меньше, чем в окрестностях Солнца, во столько же раз меньше и их плотность энергии, в соответствии с уменьшением напряжения магнитного поля.

Изложенная качественно картина галактических полей и поля космических лучей при количественном рассмотрении не лишена существенных недостатков.

По-видимому, роль сферической составляющей космического радиоизлучения до недавнего времени переоценивалась и скорее всего галактическая корона не более протяженна, чем звездная составляющая Галактики. Высказывалось и такое мнение, что галактическая корона есть преходящее явление, остаточное явление грандиозного процесса бурного рождения релятивистских частиц, подобно тому, что наблюдается в современных радиогалактиках (см. § 31). Из-за ряда трудностей, альтернативно к гипотезе внутригалактического происхождения космических лучей, появилась гипотеза метагалактического их происхождения. В этой гипотезе магнитное поле Галактики не замкнуто на себя, а составляет часть более обширного магнитного поля, охватывающего Метагалактику или хотя бы ее Местную систему, т. е. скопление нескольких десятков галактик, включая и Галактику. Несравненно более грандиозные явления синхротронного радиоизлучения, наблюдаемые в радиогалактиках, сопровождают образование частиц сверхвысокой энергии, которые беспрепятственно достигают и проникают в Галактику и в окрестности Солнца.