Магнетизм та його значення у Всесвіті

В дитинстві вас, напевно, забавляв магніт. Варто було тільки наблизити його до залізної тирси або маленьким цвяхам, і шматочки заліза, захоплені якоюсь невидимою силою, підскакували зі столу і приліплювалися до магніту. Пізніше ви познайомилися з компасом, стрілка якого, підкоряючись невидимій силі земного магнетизму, завжди покірно встановлюється в напрямку з південного магнітного полюса Землі на її північний магнітний полюс. Магнітні сили проявляються і тоді, коли в якому-небудь провіднику тече електричний струм. На цьому загальновідомому явищі засновані незліченні практичні застосування магнетизму – в електродвигунах та інших електромагнітних пристроях. Магнітні сили дають себе відчувати не тільки на Землі, а й далеко за її межами. Вивчення магнетизму в світі небесних тіл стало однією з основних проблем сучасного природознавства.

Сонце як магніт

Сонце в цілому, подібне до Землі, володіє магнітним полем, правда, дуже слабким. Його існування було запідозрене ще наприкінці 19-го століття, коли астрономи відзначили деяку схожість між формою променів сонячної корони і «силовими лініями» в магнітному полі кулястого магніту. У 1913 році американський астроном Хел, досліджуючи спектр Сонця, знайшов безсумнівні сліди дії магнітного поля Сонця на випромінюване їм світло.

З тих пір магнітні властивості Сонця вивчалися багатьма. В даний час встановлено, що загальне магнітне поле Сонця дуже слабке і розподілено над поверхнею Сонця дуже нерівномірно. У деяких місцях воно порівняно інтенсивно, в інших – ледве помітно. Крім того, Сонце не можна вважати «постійним» магнітом. Інтенсивність або «напруженість» його загального магнітного поля змінюється.

Чому Сонце є магнітом, та до того ж ще з мінливими магнітними властивостями, поки не відомо. Якщо врахувати, що розпечені сонячні гази проводять електричний струм не гірше, ніж метали, то існування магнітного поля Сонця протягом, мабуть, мільярдів років стає особливо загадковим. Адже при зміні магнітного поля в провіднику з’являється електричний струм, на який і витрачається енергія магнетизму. Чому ж у такому разі магнітне поле Сонця досі не розтрачено на струми?

Є, мабуть, якісь причини, завдяки яким магнітне поле Сонця безперервно підтримується або, краще сказати, поновлюється. До речі сказати, щось схоже здійснюється в динамо-машинах з «самозбудженням». Можливо, що і Сонце схоже більше на таку динамо-машину, ніж на звичайний магніт.

Для вивчення магнітних властивостей Сонця потрібен великий талант спостерігача і висока техніка дослідження. Не дивно тому, що протягом багатьох років Сонце вважалося серед зірок єдиним космічним «магнітом». Але в повоєнні роки були відкриті кілька зірок з надзвичайно сильними і до того ж змінними магнітними полями. У числі їх – зірка із сузір’я Діви, що значиться в зоряних каталогах під номером 70. Напруженість магнітного поля у неї на багато разів більше, ніж у Сонця. Досить можливо, що чимало (якщо не всі) зірок є своєрідними «магнітами». Невелике число поки виявлених «магнітних» зірок, цілком зрозуміло, досі дали знати про себе тільки найбільш сильні «космічні магніти», а інші залишилися непоміченими завдяки слабкості своїх магнітних властивостей.

Загадки сонячного магнетизму

Плями, що майже завжди спостерігаються на поверхні Сонця, являють собою ділянки із зниженою температурою. Колишні уявлення про сонячні плями, як велетенські вихори розпечених газів, нині довелося залишити. Рух газів у сонячній плямі дуже складний і на різних рівнях відбувається в різних напрямках. Зокрема, спостерігається як рух газів від центру плями до його країв, так і (на інших рівнях) газові потоки, що рухаються в зворотному напрямку. Складність процесів, що відбуваються в сонячних плямах, безсумнівно, пов’язана з їх магнітними властивостями.

Помічено, що сильним магнітним полем володіє кожна сонячна пляма. А коли пляма зникає, її магнітне поле залишається, поступово слабшаючи і як би занурюючись в сонячні надра. Буває і так, що зародженню нової сонячної плями передує поява в даному місці поверхні Сонця помітного місцевого магнітного поля. Сусідні сонячні плями мають зазвичай різну полярність. Інакше кажучи, вони нагадують кінці підковоподібного магніту, що «висунувся» на сонячну поверхню. Раз на одинадцять років з настанням нового циклу сонячної активності полярність сонячних плям різко змінюється на протилежну. Передні (по напрямку обертання Сонця) плями набувають полярність наступних за ними сусідніх плям, які також виявляються протилежно намагніченими. Всі ці факти відомі вже давно, але пояснення їм поки не дані.

Магнітні сили яскраво проявляють себе і в сонячній атмосфері. Вони, мабуть, закручують атмосферні гази навколо сонячних плям, розташовуючи їх по спіралі. Довелося розлучитися і з колишнім спрощеним уявленням про сонячних протуберанців як викиди розпечених газових мас.

Дослідження останнього часу переконали астрономів в складності рухів протуберанців. Є протуберанці, схожі на велетенські газові струмені, які б’ють вгору з сонячної атмосфери. Але більшість протуберанців виглядає зовсім інакше.

Подібно дощовим хмарам, вони зароджуються, «конденсуються» високо над сонячною поверхнею. А потім з такої сонячної хмари до поверхні Сонця починають витягуватися газові щупальця химерної форми. Ці щупальця розташовуються уздовж складних кривих, що нагадують силові лінії магнітного поля. За ним речовина протуберанця швидко «всмоктується» в нижні шари сонячної атмосфери. Наявність магнітних сил тут безперечна, хоча походження їх поки знову-таки залишається неясним.

Міжзоряні магнітні поля

Довгий час численні міжзоряні утворення здавалися безладними скупченнями величезних по протяжності і нікчемних по щільності мас газу. Освітлені розташованими поблизу зірками, газові туманності перевипромінюють їх світло. Світіння туманностей, таким чином, за своєю природою схоже з «холодним» світінням газів в рекламних трубках або полярних сяйвах.

Російському астроному, академіку Шайну вдалося спростувати поширену думку про хаотичності туманностей. На фотографіях, отриманих ним і його співробітницею В. Ф. Газе, туманності виявляють явні ознаки певної волокнистої структури. Наявність волокон – характерна властивість туманностей. У деяких туманностях вони мають вигляд дуг, що оперізують газову хмару. В інших, як наприклад в туманності, названій за свій зовнішній вигляд “гамаком”, майже вся газова маса зосереджена у волокнах.

З величезної відстані, що відокремлює нас від туманностей, ці утворення здаються нерухомими, як би застиглими хмарами. Насправді спектральні дослідження, проведені академіком Шайном, не залишили сумніву в тому, що всі туманності рухаються, подібно земним хмарам, безперервно змінюючись і в обрисах і в розташуванні.

Були знайдені, безсумнівно, туманності, що розпадаються. Багатьом кидалася в очі витягнута форма, що могло бути викликано своєрідним розтягуванням туманності. Зрештою, Шайн дійшов висновку, що рух туманностей в чомусь пояснюється впливом міжзоряних магнітних полів. Строго кажучи, дія будь-якого магніту простягається на весь нескінченний простір. Правда, магнітні сили слабшають з віддаленням від магніту, але ніде повністю не зникають. А раз так, то з першого погляду можна подумати, що міжзоряні магнітні поля породжені зірками.

Піднесіть сильний магніт до стрілки компаса. Бачите, як завагалася вона ще тоді, коли магніт був далеко від компаса? Так, може бути, і «магнітні» зірки керують на відстані рухом міжзоряних газів? Це припущення не витримує критики. Навіть у поверхні зірок напруженість їх магнітних полів дуже мала. Відстані ж між зірками колосальні. У міжзоряному просторі магнітні властивості окремих зірок практично невідчутні. Міжзоряні магнітні поля повинні мати інше походження. Яке ж?

Міжзоряні гази, які концентруються в туманностях і утворюють, крім того, суцільне міжзоряне газове середовище, служать відмінними провідниками електричного струму. У порівнянні з кращими з земних провідників, міжзоряні гази можна навіть назвати надпровідниками. З іншого боку факти свідчать про велику рухливість міжзоряної речовини, яка знаходиться в безперервному русі. Ці дві обставини, що не викликають сумнівів, дозволяють розібратися в причині виникнення міжзоряних магнітних полів.

Магнітні властивості Галактики

Спробуємо уявити собі ту велетенську зоряну систему Галактику, до якої належить і наше Сонце. До складу Галактики, крім зірок, входить також міжзоряне газове середовище як у вигляді туманностей, так і у формі «міжзоряного газу». Зірки випромінюють світло різних довжин хвиль. Найдрібніші порції світлової енергії – кванти – у променів різного кольору неоднакові. Вельми енергійні кванти фіолетових і ультрафіолетових променів. Стикаючись з атомами міжзоряного газу, такі кванти збивають частину електронів з їх орбіт. В результаті міжзоряний газ виявляється іонізованим – в ньому в хаотичному безладді і з величезними швидкостями рухаються як негативно заряджені електрони, так і позитивно заряджені «залишки» атомів – іони. Саме тому міжзоряні гази проявляють себе як відмінні провідники електрики.

Якщо навіть коли-небудь у минулому Галактика не володіла своїм власним загальним магнітним полем, то таке поле все одно рано чи пізно мало виникнути. Дійсно, міжзоряні газові хмари володіють в різних своїх частинах і різною щільністю і різною температурою. У такому випадку, як показують розрахунки, в міжзоряному газі неодмінно почнеться дифузія – електрони і іони почнуть переміщатися з однієї області простору в іншу. Але рухливі електрони стануть обганяти важкі, повільні іони. Інакше кажучи, в газі почнеться рух електронів по відношенню до іонів, а це і є електричний струм.

У хаотично рухомих масах міжзоряного газу можуть виникнути і вихрові, колоподібні струми. Подібно току в звичайному електромагніті, вони створять спільне магнітне поле Галактики. Спочатку це поле буде надзвичайно слабким. Але з плином часу його напруженість стане повільно збільшуватися. Відбудеться це з наступних причин.

Міжзоряні газові хмари, рухаючись між зірками, подібні провіднику, що переміщається в магнітному полі. У такому провіднику, як відомо, виникає електричний струм. Значить, з’являться електричні струми і в хмарах міжзоряного газу, які пересуваються в загальному магнітному полі Галактики. Це будуть, так би мовити, додаткові струми. Їх не слід плутати з струмами, що виникають в результаті дифузії електронів та іонів.

Але якщо по провіднику тече струм, то навколо провідника створюється власне магнітне поле. Такі додаткові магнітні поля буде нести з собою і кожна хмара міжзоряного газу. Хаотичні рухи газу призведуть до того, що магнітні поля окремих хмар, накладаючись один на одного, помітно посилять загальне магнітне поле Галактики.

Магнітні сили і будова Галактики

Досить можливо, що спіралеподібна форма нашої Галактики та інших зоряних систем також викликана дією магнітних сил. Якщо ці сили керують рухом газових хмар, а зірки (що дуже ймовірно) зароджуються з міжзоряного середовища, то розташування зірок в просторі повинно так само в якійсь мірі відображати дію магнітних сил.

Астроном Кримської астрофізичної обсерваторії С. Б. Пікельнер зробив важливе відкриття. Виходячи з того, що міжзоряні магнітні поля повинні мати напруженість порядку 10 в п’ятій ступені ерстед, він знайшов, що відповідні швидкості безладних рухів дуже розрідженого газового середовища між туманностями повинні вимірюватися кількома десятками кілометрів на секунду. Але при таких швидкостях частинки міжзоряного газу будуть досить значно віддалятися в обидві сторони від середньої екваторіальної площині Галактики. Інакше кажучи, дослідження космічного магнетизму призвело до відкриття газової сферичної «корони» Галактики, що подібно найтоншої вуалі огортає ядро нашої зоряної системи.

Детальне вивчення космічного магнетизму тільки починається. Проте його повсюдна поширеність і величезна роль у космічних процесах вже і зараз не викликають сумнівів.

Автор: Ф. Зігель.