Читать книгу "Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма - Дмитрий Соколов"

Так я узнал о том, что вопросы космического магнетизма интересуют широкую публику. Попробуем хотя бы отчасти удовлетворить ее интерес.

У человека нет специального органа чувств, с помощью которого можно непосредственно ощущать магнитное поле. Мы судим о присутствии магнитного поля по тому, как оно действует на что-то другое, прежде всего на магнитную стрелку. Мы делаем так, если интересуемся магнитным полем прямо в том месте, где находимся сами. С небесными телами дело обстоит гораздо сложнее: мы живем только на одном небесном теле – нашей Земле. Люди уже побывали на Луне, космические аппараты достигли Марса и Венеры и пролетели в окрестностях других планет. На многих из этих космических аппаратов стояли сложные приборы – магнитометры, которые измеряли магнитное поле в той точке, где в тот момент находились. В этом смысле магнитометры похожи на магнитные стрелки. Это, безусловно, очень важные данные, но мы бы практически ничего не узнали о космическом магнетизме, если бы у астрономов не было других методов измерения (или, может быть, лучше сказать «наблюдения») магнитного поля на астрономических расстояниях.

1. Что должен отвечать на вопрос о наблюдениях магнитных полей студент-астроном

Начнем с простого – с того, что должно быть известно каждому студенту.

В основном знания в области астрономии мы получаем из света, приходящего от различных небесных тел. Не обязательно света в видимом диапазоне, но и радиоволн, рентгеновского излучения и других видов электромагнитных волн. Безусловно, астрономы очень ценят все остальные источники информации: космические лучи, гравитационные волны, нейтрино несут важные сведения, но все же основную массу знаний дают электромагнитные колебания.

Оказывается, магнитное поле может влиять на свойства света. При определенных условиях атомы излучают или поглощают электромагнитные волны в очень узком диапазоне частот (можно сказать, одного цвета) – в некоторой спектральной линии. Если же атом находится в магнитном поле, то спектральная линия распадается на две или несколько линий, соответствующих нескольким разным частотам. В физике принят термин «расщепление спектральных линий». По тому, насколько велико это расщепление (как различаются цвета, соответствующие этим линиям), можно узнать, насколько сильно магнитное поле в точке, где излучается свет. Явление расщепления спектральных линий в магнитном поле называется эффектом Зеемана.

С помощью эффекта Зеемана в начале XX в. американский астроном Хейл впервые измерил магнитное поле в солнечных пятнах. Так люди узнали, что Солнце является гигантским магнитом. Это был триумф физики и астрономии: стало ясно, что не нужно лететь на удаленное небесное тело для того, чтобы узнать, какое там магнитное поле.

Поэтому каждый студент должен уверенно отвечать: в астрономии магнитные поля измеряют по эффекту Зеемана. Однако часто студенты не знают того, что они знать обязаны.

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.

2. Как наблюдают магнитные поля галактик

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.