Глава IV Магнитные поля в галактике

27. Теоретические предпосылки

До сих пор не упоминалось о существенном свойстве межзвездного газа - о его электрической проводимости. Наличие ионизованных атомов, имеющихся в некотором количестве и в областях Н I, а следовательно, наличие свободных электронов, делает межзвездный газ довольно хорошим проводником электричества, несколько худшим, чем металлы, но сравнимым с ними, особенно в областях Н II. Следовательно, в газе могут течь токи и образовываться магнитные поля. Как могут образоваться токи в межзвездном пространстве, где нет обычных источников электродвижущей силы? Один из возможных процессов аналогичен тому, что происходит в обычной динамомашине, при помощи которой механическая энергия вращения якоря в магнитном поле статора превращается в энергию электрического тока или, что то же самое, в магнитную энергию поля этого тока. Энергия образовавшегося поля может быть значительно большей, чем первоначальная магнитная энергия поля статора. Точно так же, если проводящий газ движется в слабом магнитном поле, то в нем должны появиться токи, поле которых может быть сильнее, чем начальное поле. Движение в этом более сильном поле может дать еще более сильный ток. и поле будет становиться все сильнее и сильнее. Возвращаясь опять к динамомашине, этот эффект можно сравнить с самовозбуждением ее. Если электромагниты статора питаются частью того тока, который вырабатывается ротором, то сначала, пока ротор еще не вращается, их поле очень слабо, оно определяется намагниченностью сердечников. Вращение ротора в слабом поле дает слабый ток, который несколько увеличивает поле статора. Это ведет к усилению тока, отчего в свою очередь усиливается поле, и т. д.

Ток и соответственно поле статора должны усиливаться, казалось бы, неограниченно. Однако предел определяется тем обстоятельством, что на якорь с током действует в магнитном поле статора сила, стремящаяся остановить его вращение (эта же сила в другом случае вращает якорь электромотора). Существование ее с неизбежностью следует и из закона сохранения энергии: вращение якоря динамомашины вырабатывает ток, несущий энергию, следовательно, для вращения должна затрачиваться такая же энергия - тем большая, чем больше ток. Когда сопротивление вращению сравняется с силой, приводящей генератор в движение, наступит равновесие, ток далее усиливаться не будет. Для того чтобы ток вообще мог усиливаться и достигнуть верхнего предела, необходимо, чтобы вся электрическая цепь - якорь и катушки статора - состояла из достаточно хороших проводников. Если проводники плохие, с большим сопротивлением, то энергия тока будет превращаться в основном в теплоту, поле статора почти не усилится и ток усиливаться не будет.

На возможность усиления поля в ионизованном газе таким методом (он получил название "динамо") указали С. Лундквист и Т.Каулинг и независимо разработали и развили в 1946 г. Л. Э. Гуревич и А. И.Лебединский (СССР), пытаясь объяснить образование магнитного поля солнечных пятен. Далее эти идеи были развиты в работах X. Альвена (Швеция), Т. Каулинга (Англия), Д. Бечелора (Англия) и др. Нужно только обратить внимание на то, что механизм "динамо" может усилить поле, но не создать его, он требует наличия первоначального слабого поля. Л. Бирман и А. Шлютер (ФРГ) указали на возможность образования поля, когда в начале его могло и не быть. Она основана на большом различии масс электронов и ионов. Тепловые скорости электронов значительно больше, чем ионов, и поэтому диффузия их происходит с большей скоростью. Если в газе образовалось уплотнение, то электроны будут "рассасываться" быстрее, чем ионы, будут обгонять их, а движение электронов относительно ионов есть электрический ток. Правда, в описанном случае этот ток очень быстро прекратится, так как поток электронов, текущий из уплотнения во все стороны, быстро приведет к образованию в ней положительного заряда, притяжение которого прекратит дальнейший отток электронов. Однако, если кроме различия плотности имеется и различие температуры, причем поверхности, на которых температура постоянна (изотермы), не совпадают с поверхностями, на которых постоянна плотность, то поле образующегося объемного заряда может остановить только часть токов. Другая часть токов имеет вихревой характер, они текут как бы в замкнутой цепи, не приводя к появлению объемного заряда. Такие токи могут, в принципе, течь как угодно долго, они создают магнитное поле за счет тепловой энергии газа (энергии движений электронов и ионов).

Однако поле, созданное таким образом, должно быть очень слабым. Причиной этого служит явление, называемое самоиндукцией. Оно выражается в том, что если включить в цепь источник электродвижущей силы, то ток не сразу достигнет своего нормального значения, а будет расти постепенно. С другой стороны, если отключить от цепи, в которой идет ток, источник, оставив цепь замкнутой, то ток прекратится не сразу, а тоже постепенно. Физическая причина самоиндукции заключается в том, что с током связано магнитное поле, которое обладает энергией. Плотность магнитной энергии, т, е. количество энергии, заключенное в 1 см³, равна ¹/_8π× H₂, где Н - напряженность поля, выражаемая в эрстедах. Напомним, что напряженность поля Земли у полюса равна приблизительно 0,3 эрстеда, так что плотность магнитной энергии там равна 3,6 × 10^-3эрг/_см³. Магнитная энергия тока равна энергии всего поля, созданного этим током, следовательно, вызвать в цепи ток - значит создать в окружающем пространстве поле с определенной энергией. Эта энергия накапливается за счет работы источника тока, причем она должна накапливаться в течение некоторого интервала времени, так как мощность источника конечна. При размыкании тока происходит обратный процесс, энергия поля исчезает не сразу, а постепенно, превращаясь в тепло (ток, проходя по проводнику, нагревает его). Чем меньше тепла выделяет данный ток, т. е. чем меньше сопротивление цепи, которое зависит от проводимости вещества и от его сечения, тем дольше будет происходить затухание и соответственно усиление тока. Т. Каулинг подсчитал, что время, необходимое для существенного изменения магнитного потока, пропорционально проводимости и сечению проводника. В лабораторном трансформаторе время установления поля меньше секунды. В космических условиях проводимость в тысячи, а в областях H I - в миллионы раз меньше, чем проводимость меди. Однако размеры там настолько велики, что, например, время изменения магнитного потока солнечного пятна измеряется сотнями лет¹, а для облаков межзвездного газа оно превосходит возраст Галактики. Следовательно, поле в межзвездном пространстве может существовать без поддерживающих его источников практически бесконечно долго. В то же время, ток, вызванный различием температуры и плотности, достигнет за время существования этого различия только ничтожной части своего стационарного значения, и, следовательно, созданное им поле будет исключительно слабым. Однако и такое слабое поле может быть в дальнейшем усилено движениями проводящего газа.

¹ (Поэтому считается, что когда пятно исчезает, то поле его уходит в глубь Солнца, а не исчезает совсем)

Механизм этого усиления и характер образующегося поля может быть лучше проиллюстрирован, если воспользоваться представлением о магнитных силовых линиях, направление которых совпадает с направлением напряженности поля, а густота пропорциональна величине напряженности. Рассмотрим соленоид - длинную катушку, по которой течет ток. Поле внутри можно изобразить пучком силовых линий. Если время изменения поля достаточно велико, то ток будет течь несмотря на то, что источники его отключены, а сам соленоид накоротко замкнут. Если перемещать соленоид, поле будет перемещаться вместе с ним. Соленоид можно изогнуть или сжать; во всех случаях соответственно изогнется или сожмется поле внутри него, но число силовых линий внутри, т. е. полный магнитный поток, не изменится. В то же время густота силовых линий, т. е. напряженность поля, изменится: чем меньше будет данное сечение трубки, тем больше будет напряженность.

Результаты этих воображаемых опытов можно перенести на межзвездный газ, где каждый пучок силовых линий - силовая трубка - может рассматриваться как соленоид. Силовая линия не может выйти за пределы трубки в проводящей среде, так же как она не может выйти за пределы витков соленоида. Всякое движение и деформация среды приводят к соответствующему движению и деформации поля. Можно сказать, что силовые линии "вморожены" в вещество и движутся вместе с ним, так что если какая-нибудь линия проходила через ряд газовых масс, то она будет проходить через них и миллионы лет спустя. Если движение газовых масс беспорядочно, то силовые линии должны при этом запутываться, принимать очень сложную форму, вытягиваться, так как длина линии, проходящей через цепочку газовых масс, увеличивается, если отдельные звенья перемещаются беспорядочно. Это приводит к увеличению напряженности поля, к уплотнению силовых линий, хотя общее число их при этом не изменяется. Для примера рассмотрим массу газа, в которой было первоначально регулярное поле. Если рассечь эту массу плоскостью, то каждая силовая линия проходит через нее один раз. Если же газ находится в беспорядочном движении, то через некоторое время силовые линии "запутаются" и каждая из них будет многократно пересекать плоскость в том и в другом направлении. В результате полное число точек пересечения увеличится, т. е. увеличится густота силовых линий и напряженность поля.

При беспорядочном движении процесс запутывания мог бы продолжаться неограниченно, и соответственно неограниченно росла бы напряженность поля, т. е. его энергия. Однако это противоречит закону сохранения энергии, поэтому должен существовать предел, который определяется мощностью движений, усиливающих поле, так же, как в случае динамомашины.

Ограничение роста поля основано на его свойстве, аналогичном упругости. Поле действует на проводящую среду с силой, которую можно описать как натяжение силовых линий и их стремление разойтись друг от друга. В однородном поле, где линии прямые и густота их одинакова, упругие свойства хотя и остаются, но не проявляются, так как Силы, действующие на элемент объема с разных сторон, взаимно уравновешиваются. Если силовые линии искривлены, то натяжение стремится выпрямить их, так же как натяжение тетивы лука выпрямляет ее. Поперечное давление силовых линий сказывается в том случае, если густота линий не одинакова, оно стремится расширить более плотные пучки силовых линий. И натяжение, и поперечное давление равны ¹/_8π H₂^дин/_см², т. е. они численно равны плотности энергии поля и растут при его запутывании.

Магнитные силы оказывают сопротивление при запутывании поля, они тормозят те движения, которые усиливают поле, и ускоряют движения, распутывающие его. Это следует хотя бы из закона сохранения энергии: если энергия поля увеличивается, то движущиеся массы газа совершают работы против магнитных сил. Пока энергия поля меньше, чем кинетическая энергия ¹/₂× pv², магнитные силы не могут существенно изменить движение среды, оно остается хаотическим, и линии запутываются, поле растет. Когда же средняя энергия поля сравняется с кинетической энергией, сопротивление магнитных сил дальнейшему запутыванию станет существенным, движение уже не будет полностью беспорядочным. Установится как бы динамическое равновесие между полем и движением вещества. В отдельных точках напряженность поля повышается до величины, превышающей среднюю. Тогда магнитные силы управляют движением газа, силовые линии несколько распрямляются, напряженность поля уменьшается. В каждой точке напряженность хаотически изменяется со временем по величине и направлению, а ее средняя величина зависит только от средней кинетической энергии хаотических движений газа. Начальная величина напряженности поля, от которой началось усиление, не имеет значения. Только время, необходимое для достижения описанного стационарного состояния, в слабом поле будет несколько больше.

Усиление поля при запутывании есть по существу тот же процесс, который рассматривался выше на примере динамомашины с самовозбуждением. Газовые массы движутся в слабом поле, в них индуцируются токи, усиливающее поле. Движение в этом более сильном поле дает еще более сильное поле и так далее, пока сопротивление магнитных сил не начнет существенно влиять на движение. Однако рассмотрение с помощью силовых линий более наглядно и позволяет представить себе качественно характер изменения поля при движении среды, не прибегая к математическим методам.

До сих пор говорилось о слабом поле, которое усиливается движением среды. Если же регулярное поле с самого начала было относительно сильным, т. е. его энергия была больше, чем кинетическая, то движения будут контролироваться полем. Смещение вдоль поля не вызывает магнитных сил и происходит беспрепятственно, а смещение поперек поля искривляет силовую линию и тормозится. Таким образом, проводящий газ в сильном поле может двигаться только вдоль силовых линий.

Подведем итоги. Из общих соображений, зная, что в межзвездной среде имеются флуктуации плотности и температуры, можно ожидать, что в ней должно появиться очень слабое поле, вызванное диффузией электронов. Поскольку газ находится в движении, а время затухания поля очень велико, поле должно запутываться и усиливаться, пока средняя энергия его не сравняется с кинетической энергией газа. Если концентрация в облаке равна 20 атомам в 1 см³ и дисперсия скоростей внутри него - 3 ^км/_сек, то можно ожидать наличие поля с напряженностью около 6 × 10^-6 эрстеда. Эта величина в 50 000 раз меньше, чем напряженность поля Земли, но она не мала для межзвездной среды, так как оказывает существенное влияние на ее движение.

Однако астрофизика, как и всякая наука о природе, не может довольствоваться общими соображениями, она должна исходить из наблюдений. Прямым способом изучения поля, используемым, например, при изучении солнечных пятен, является эффект Зеемана - расщепление спектральных линий в магнитном поле. Выше уже говорилось о возможности наблюдать расщепление радиолинии 21 см. Однако такие наблюдения еще не проведены ввиду больших экспериментальных трудностей. Поэтому приходится прибегать к косвенным методам, каждый из которых не может дать исчерпывающего ответа, но в совокупности получаются довольно определенные результаты.