Магнетизм и его значение во Вселенной

В детстве вас, наверное, забавлял магнит. Стоило только приблизить его к железным опилкам или маленьким гвоздикам, и кусочки железа, увлеченные какой-то невидимой силой, подскакивали со стола и прилеплялись к магниту. Позже вы познакомились с компасом, стрелка которого, подчиняясь невидимой силе земного магнетизма, всегда покорно устанавливается в направлении с южного магнитного полюса Земли на ее северный магнитный полюс. Магнитные силы обнаруживаются и тогда, когда в каком-нибудь проводнике течет электрический ток. На этом общеизвестном явлении основаны бесчисленные практические применения магнетизма — в электродвигателях и других электромагнитных устройствах. Магнитные силы дают себя чувствовать не только на Земле, но и далеко за ее пределами. Изучение магнетизма в мире небесных тел стало одной из основных проблем современного естествознания.

Солнце как магнит

Солнце в целом, подобно Земле, обладает магнитным полем, правда, очень слабым. Его существование было заподозрено еще в конце 19-го века, когда астрономы отметили некоторое сходство между формой лучей солнечной короны и «силовыми линиями» в магнитном поле шарообразного магнита. В 1913 году американский астроном Хел, исследуя спектр Солнца, нашел несомненные следы воздействия магнитного поля Солнца на испускаемый им свет.

С тех пор магнитные свойства Солнца изучались многими. В настоящее время установлено, что общее магнитное поле Солнца очень слабо и распределено над поверхностью Солнца весьма неравномерно. В некоторых местах оно сравнительно интенсивно, в других — еле заметно. Кроме того, Солнце нельзя считать «постоянным» магнитом. Интенсивность или «напряженность» его общего магнитного поля изменяется.

Почему Солнце является магнитом, да к тому же еще с меняющимися магнитными свойствами, пока не известно. Если учесть, что раскаленные солнечные газы проводят электрический ток не хуже, чем металлы, то существование магнитного поля Солнца в течение, по-видимому, миллиардов лет становится особенно загадочным. Ведь при изменении магнитного поля в проводнике появляется электрический ток, на который и расходуется энергия магнетизма. Почему же в таком случае магнитное поле Солнца до сих пор не растрачено на токи?

Есть, по-видимому, какие-то причины, благодаря которым магнитное поле Солнца непрерывно поддерживается или, лучше сказать, возобновляется. Кстати сказать, нечто схожее осуществляется в динамо-машинах с «самовозбуждением». Возможно, что и Солнце похоже больше на такую динамо-машину, чем на обычный магнит.

Для изучения магнитных свойств Солнца требуется большое искусство наблюдателя и высокая техника исследования. Неудивительно поэтому, что в течение многих лет Солнце считалось среди звезд единственным космическим «магнитом». Но в послевоенные годы были открыты несколько звезд с чрезвычайно сильными и к тому же переменными магнитными полями. В числе их — звезда из созвездия Девы, значащаяся в звездных каталогах под номером 70. Напряженность магнитного поля у нее во много раз больше, чем у Солнца. Весьма возможно, что многие (если не все) звезды являются своеобразными «магнитами». Небольшое число пока обнаруженных «магнитных» звезд, вполне понятно, до сих пор дали знать о себе только наиболее сильные «космические магниты», а остальные остались незамеченными благодаря слабости своих магнитных свойств.

Загадки солнечного магнетизма

Пятна, почти всегда наблюдаемые на поверхности Солнца, представляют собой участки с пониженной температурой. Прежние представления о солнечных пятнах, как исполинских вихрях раскаленных газов, ныне пришлось оставить. Движение газов в солнечном пятне очень сложно и на различных уровнях происходит в разных направлениях. В частности, наблюдаются как движение газов от центра пятна к его краям, так и (на других уровнях) газовые потоки, движущиеся в обратном направлении. Сложность процессов, происходящих в солнечных пятнах, несомненно, связана с их магнитными свойствами.

Подмечено, что сильным магнитным полем обладает каждое солнечное пятно. А когда пятно исчезает, его магнитное поле остается, постепенно ослабевая и как бы погружаясь в солнечные недра. Бывает и так, что зарождению нового солнечного пятна предшествует появление в данном месте поверхности Солнца заметного местного магнитного поля. Соседние солнечные пятна имеют обычно разную полярность. Иначе говоря, они напоминают концы подковообразного магнита, «высунувшегося» на солнечную поверхность. Раз в одиннадцать лет с наступлением нового цикла солнечной активности полярность солнечных пятен резко меняется на противоположную. Передние (по направлению вращения Солнца) пятна приобретают полярность следующих за ними соседних пятен, которые также оказываются противоположно намагниченными. Все эти факты известны уже давно, но объяснения им пока не даны.

Магнитные силы ярко проявляют себя и в солнечной атмосфере. Они, по-видимому, закручивают атмосферные газы вокруг солнечных пятен, располагая их по спирали. Пришлось расстаться и с прежним упрощенным представлением о солнечных протуберанцах как выбросах раскаленных газовых масс.

Исследования последнего времени убедили астрономов в сложности движений протуберанцев. Есть протуберанцы, похожие на исполинские газовые струи, которые бьют вверх из солнечной атмосферы. Но большинство протуберанцев выглядит совсем иначе.

Подобно дождевым облакам, они зарождаются, «конденсируются» высоко над солнечной поверхностью. А затем из такого солнечного облака к поверхности Солнца начинают вытягиваться газовые щупальца причудливой формы. Эти щупальца располагаются вдоль сложных кривых, напоминающих силовые линии магнитного поля. По ним вещество протуберанца быстро «всасывается» в нижние слои солнечной атмосферы. Наличие магнитных сил здесь бесспорно, хотя происхождение их пока опять-таки остается неясным.

Межзвездные магнитные поля

Долгое время многочисленные межзвездные образования казались беспорядочными скоплениями огромных по протяженности и ничтожных по плотности масс газа. Освещенные расположенными поблизости звездами, газовые туманности переизлучают их свет. Свечение туманностей, таким образом, по своей природе сходно с «холодным» свечением газов в рекламных трубках или полярных сияниях.

Российскому астроному, академику Шайну удалось опровергнуть распространенное мнение о хаотичности туманностей. На фотографиях, полученных им и его сотрудницей В. Ф. Газе, туманности обнаруживают явные признаки определенной волокнистой структуры. Наличие волокон — характерное свойство туманностей. В некоторых туманностях они имеют вид дуг, опоясывающих газовое скопление. В других, как например в туманности, названной за свой внешний вид «Гамаком», почти вся газовая масса сосредоточена в волокнах.

С огромного расстояния, отделяющего нас от туманностей, эти образования кажутся неподвижными, как бы застывшими облаками. На самом деле спектральные исследования, проведенные академиком Шайном, не оставили сомнения в том, что все туманности движутся, подобно земным облакам, непрерывно меняясь и в очертаниях и в расположении.

Были найдены, несомненно, распадающиеся туманности. У многих бросалась в глаза вытянутая форма, что могло быть вызвано своеобразным растягиванием туманности. В конце концов, Шайн пришел к выводу, что движение туманностей во многом объясняется воздействием межзвездных магнитных полей. Строго говоря, действие любого магнита простирается на все бесконечное пространство. Правда, магнитные силы ослабевают с удалением от магнита, но нигде полностью не исчезают. А раз так, то с первого взгляда можно подумать, что межзвездные магнитные поля порождены звездами.

Поднесите сильный магнит к стрелке компаса. Видите, как заколебалась она еще тогда, когда магнит был далеко от компаса? Так, может быть, и «магнитные» звезды управляют на расстоянии движением межзвездных газов? Это предположение не выдерживает критики. Даже у поверхности звезд напряженность их магнитных полей очень мала. Расстояния же между звездами колоссальны. В межзвездном пространстве магнитные свойства отдельных звезд практически неощутимы. Межзвездные магнитные поля должны иметь иное происхождение. Какое же?

Межзвездные газы, которые концентрируются в туманностях и образуют, кроме того, сплошную межзвездную газовую среду, служат отличными проводниками электрического тока. По сравнению с лучшими из земных проводников, межзвездные газы можно даже назвать сверхпроводниками. С другой стороны факты свидетельствуют о большой подвижности межзвездного вещества, которое находится в непрерывном движении. Эти два обстоятельства, не вызывающие сомнений, позволяют разобраться в причине возникновения межзвездных магнитных полей.

Магнитные свойства Галактики

Попробуем представить себе ту исполинскую звездную систему Галактику, к которой принадлежит и наше Солнце. В состав Галактики, кроме звезд, входит также межзвездная газовая среда как в виде туманностей, так и в форме «межзвездного газа». Звезды излучают свет различных длин волн. Мельчайшие порции световой энергии — кванты — у лучей разного цвета неодинаковы. Весьма энергичны кванты фиолетовых и ультрафиолетовых лучей. Сталкиваясь с атомами межзвездного газа, такие кванты сбивают часть электронов с их орбит. В результате межзвездный газ оказывается ионизированным — в нем в хаотическом беспорядке и с огромными скоростями движутся как отрицательно заряженные электроны, так и положительно заряженные «остатки» атомов — ионы. Именно поэтому межзвездные газы проявляют себя как отличные проводники электричества.

Если даже когда-нибудь в прошлом Галактика не обладала своим собственным общим магнитным полем, то такое поле все равно рано или поздно должно было возникнуть. Действительно, межзвездные газовые облака обладают в различных своих частях и разной плотностью и различной температурой. В таком случае, как показывают расчеты, в межзвездном газе непременно начнется диффузия — электроны и ионы начнут перемещаться из одной области пространства в другую. Но подвижные электроны станут обгонять тяжелые, медлительные ионы. Иначе говоря, в газе начнется движение электронов по отношению к ионам, а это и есть электрический ток.

В хаотически перемещающихся массах межзвездного газа могут возникнуть и вихревые, кругообразные токи. Подобно току в обычном электромагните, они создадут общее магнитное поле Галактики. Сначала это поле будет чрезвычайно слабым. Но с течением времени его напряженность станет медленно увеличиваться. Произойдет это по следующим причинам.

Межзвездные газовые облака, двигаясь между звездами, подобны проводнику, перемещающемуся в магнитном поле. В таком проводнике, как известно, возникает электрический ток. Значит, появятся электрические токи и в облаках межзвездного газа, которые передвигаются в общем магнитном поле Галактики. Это будут, так сказать, дополнительные токи. Их не следует путать с токами, возникающими в результате диффузии электронов и ионов.

Но если по проводнику течет ток, то вокруг проводника создается собственное магнитное поле. Такие дополнительные магнитные поля будет нести с собой и каждое облако межзвездного газа. Хаотичные движения газа приведут к тому, что магнитные поля отдельных облаков, накладываясь друг на друга, заметно усилят общее магнитное поле Галактики.

Магнитные силы и строение Галактик

Весьма возможно, что спиралеобразная форма нашей Галактики и других звездных систем также вызвана действием магнитных сил. Если эти силы управляют движением газовых облаков, а звезды (что весьма вероятно) зарождаются из межзвездной среды, то расположение звезд в пространстве должно так же в какой-то степени отражать действие магнитных сил.

Астроном Крымской астрофизической обсерватории С. Б. Пикельнер сделал важное открытие. Исходя из того, что межзвездные магнитные поля должны иметь напряженность порядка 10 в пятой степени эрстед, он нашел, что соответствующие скорости беспорядочных движений очень разреженной газовой среды между туманностями должны измеряться несколькими десятками километров в секунду. Но при таких скоростях частицы межзвездного газа будут весьма значительно удаляться в обе стороны от средней экваториальной плоскости Галактики. Иначе говоря, исследование космического магнетизма привело к открытию газовой сферической «короны» Галактики, подобно тончайшей вуали окутывающей ядро нашей звездной системы.

Детальное изучение космического магнетизма только начинается. Однако его повсеместная распространенность и огромная роль в космических процессах уже и сейчас не вызывают сомнений.

Автор: Ф. Зигель.