Дмитрий Соколов - Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма [litres]

Этот ответ верен, но, как часто бывает со студенческими знаниями, он очень неполон. Если бы в распоряжении астрономов был только эффект Зеемана, сегодня наши знания о космическом магнетизме были бы гораздо беднее.

Что же прочитали в нашей статье уважаемые сотрудники Каирского зоопарка о том, как наблюдают магнитные поля галактик? Конечно, никто не собирается отказываться от старого доброго эффекта Зеемана, который уже больше ста лет верой и правдой служит астрономам. Проблема только в том, что он хорош для измерения магнитных полей в солнечных пятнах, но плохо работает при измерении магнитных полей галактик – галактики тоже являются магнитами.

Разберемся в том, что может помешать измерению магнитного поля с помощью эффекта Зеемана. Прежде всего, магнитное поле должно быть достаточно большим, чтобы расщепление спектральных линий было заметным. Магнитные поля галактик намного слабее, чем магнитные поля на Солнце. Однако эта трудность – еще полбеды. За долгие годы спектроскописты научились измерять и слабые магнитные поля. Проблема в том, что эффект Зеемана не единственный, который воздействует на спектральные линии.

Есть еще эффект Доплера: свет, приходящий от движущегося тела, мы видим с несколько другой частотой, чем наблюдатель, движущийся вместе с телом. Само по себе это тоже не беда, но разные атомы, излучающие свет в данном кусочке вещества на далеком небесном теле, движутся с самыми различными скоростями, так что спектральная линия не просто смещается, а размывается. Становится трудно заметить расщепление спектральной линии, поскольку каждая из линий, на которые распалась первоначальная линия, размыта эффектом Доплера, причем величина размытия может быть много больше, чем величина расщепления.

Спектроскописты научились справляться с размытием спектральных линий, но у всего есть пределы. Магнитные поля галактик не только гораздо слабее солнечных, но и вещество галактик, находящееся в пространстве между звезд, гораздо более разрежено, чем вещество Солнца, а разброс скоростей электронов и ионов, излучающих свет (радиоволны), может быть гораздо больше, чем диапазон скоростей атомов на Солнце. Не очень хорошо в этой очень разреженной среде обстоит дело и со спектральными линиями – у излучения Солнца их гораздо больше.

Измерить магнитное поле с помощью эффекта Зеемана все же удается в некоторых частях галактик, где плотность межзвездной среды и напряженность магнитного поля побольше, а скорости – поменьше. Это холодные молекулярные облака межзвездного газа. Такие наблюдения очень важны и полезны, но все же это частности.

И тут астрономия получает совершенно неожиданную поддержку от неожиданного союзника – сахарной промышленности.

В этой индустрии важно оперативно измерять содержание сахара в растворе, который образуется при его вываривании, скажем, из сахарной свеклы. Для этого сообразительные специалисты сахарного дела используют возможность сделать свет поляризованным. В луче поляризованного света векторы электрического (и магнитного) поля направлены не как попало, а колеблются в одной плоскости, которая называется плоскостью поляризации. Несомненно, тут придется потрудиться, но это технически разрешимая задача.

Если луч поляризованного света проходит через раствор сахара, то положение плоскости поляризации не остается постоянным. Она поворачивается на некоторый угол, по величине которого можно вычислить концентрацию сахара в растворе и соответственно обнаружить нечистых на руку или просто небрежных рабочих и выяснить, соблюдали ли рабочие рецептуру приготовления. Конечно, цель – бороться за качество продукции.

Это явление называется эффектом Фарадея по имени обнаружившего этот эффект знаменитого английского физика XIX в.

Плоскость поляризации вращается в сахаре потому, что молекулы сахара, плавающие в растворе, обладают определенной асимметрией. Точнее, молекулы сахара (как и многие другие органические молекулы) могут существовать в двух вариантах – «правом» и «левом» – это зеркальные отражения друг друга. Живые организмы (в частности, сахарная свекла) вырабатывают молекулы сахара одной ориентации. Почему это происходит, не до конца ясно, но, поскольку мы говорим об астрономии, это вопрос второстепенный. Пусть с этой загадкой природы разбираются другие.

Важно то, что магнитное поле действует на свет так же, как и сахар: происходит поворот плоскости поляризации. Эффект Фарадея в магнитном поле можно, разумеется, наблюдать в лабораторном эксперименте. Теоретическая физика объясняет причину этого явления. О ней написано в одной из книг замечательного отечественного физика, лауреата Нобелевской премии В. Л. Гинзбурга. Она переведена на английский язык, и астрономы, начавшие наблюдать магнитные поля с помощью эффекта Фарадея, учились по этой книге.

Оказывается, угол поворота плоскости поляризации пропорционален квадрату длины волны излучения. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называется мерой фарадеевского вращения и обозначается как RM (rotation measure). (Удивительно, но в русском языке имя Фарадея упоминается чаще, чем в его родном английском.) В свою очередь, мера фарадеевского вращения пропорциональна напряженности магнитного поля (точнее, его компоненте вдоль луча зрения), плотности электронов и длине области, занятой магнитным полем.

Для астрономии очень важно, что в этой зависимости участвует длина области, то есть эффект является интегральным. Это значит, что можно использовать гигантские размеры небесных тел, – в эффекте Зеемана такой зависимости нет. Приятно и то, что эффект Фарадея не связан со спектральными линиями.

Для того чтобы воспользоваться эффектом Фарадея в астрономических наблюдениях, нужно понять, в каком диапазоне длин волн разумно вести наблюдения.

Понятно, что угол поворота плоскости поляризации должен быть не слишком маленьким, иначе его трудно заметить. Соответственно, длина волны должна быть не слишком маленькой. Но она должна быть и не слишком большой. Дело в том, что угол поворота плоскости поляризации определен с точностью до 180°. Если плоскость поляризации повернулась на 190°, то наблюдатель скажет, что она повернулась всего на 10°!

В 1970-х гг., когда астрономия подходила к наблюдению магнитных полей галактик, было уже известно, какого порядка их магнитные поля. Эту оценку получил на 20 лет раньше великий Энрико Ферми, который предположил, что космические лучи, то есть протоны и другие атомные ядра высоких энергий, удерживаются в нашей галактике Млечный Путь ее магнитным полем. Для этого магнитное поле должно быть достаточно большим. Из других наблюдений была примерно известна плотность межзвездного газа. Все вместе указывало на то, что фарадеевское вращение следует наблюдать в том диапазоне, который относится к сфере радиоастрономии. Например, можно сопоставлять данные, полученные на длинах волн в 6 и 18 сантиметров. Хорошо к ним добавить и данные, полученные на 3-м и 21-м сантиметре, и получить убедительное доказательство того, что мы имеем дело именно с фарадеевским вращением.