31. Регулярное поле в спиральных ветвях

Вернемся к магнитному полю Галактики. Рассмотренные выше условия удержания космических лучей и существование нетеплового радиоизлучения говорят о полях с напряженностью, близкой к 10^-5 эрстед, занимающих протяженную, почти сферическую область. Они, по-видимому, образовались из начального слабого поля, усиленного движениями газа, и имеют хаотическую структуру. Однако некоторые другие данные усложняют эту сравнительно простую картину. В 1949 г. несколькими авторами независимо было замечено, что свет некоторых звезд частично поляризован. Большое число наблюдений, проведенных с того времени, позволило выявить ряд свойств этой поляризации. В отдельных случаях она достигает 10% и показывает некоторую зависимость от покраснения звезды, т. е. от межзвездного поглощения. Эту зависимость можно охарактеризовать следующим образом. Если звезда не покраснела, т. е. если ее свет не прошел через пылевое облако, то поляризации она не показывает. Если звезда покрасневшая, то свет ее более или менее поляризован, причем максимальная поляризация, возможная при данном покраснении, пропорциональна величине покраснения. Это говорит о том, что свет поляризуется, проходя через пылевое облако, но различные облака поляризуют свет в разной степени.

Интересно сопоставить характер поляризации для разных областей Млечного Пути. На рис. 33 длина черточки представляет степень поляризации, а направление - плоскость колебаний электрического вектора. Верхний чертеж относится к участку, где луч зрения почти перпендикулярен спиральному рукаву Галактики, нижний - к участку, где луч зрения скользит вдоль рукава. Различие очень заметно. Во втором случае поляризация мала и плоскость ее ориентирована под различными углами, в первом поляризация больше и ориентирована почти параллельно плоскости Галактики.

Поляризация света при прохождении через пылевое облако может появиться, если пылинки имеют вытянутую форму и направления их упорядочены. Проходя около вытянутой пылинки, световые колебания, происходящие в разных плоскостях, рассеиваются неодинаково, сильнее ослабляется свет, электрический вектор которого параллелен длинной оси пылинки. Почти всю совокупность данных наблюдений можно объяснить, если считать, что длинные оси пылинок перпендикулярны к спиральному рукаву Галактики, т. е. что они вращаются, как пропеллер, вокруг оси, направленной вдоль рукава. Тогда, если смотреть вдоль рукава, длинные оси пылинок перпендикулярны к лучу зрения и ориентированы хаотически, так что поляризации вообще не должно быть. Небольшая поляризация, различная для разных звезд, образуется за счет незначительных систематических отклонений плоскости вращения частиц от средней. В направлениях же, перпендикулярных к рукаву, мы видим пылинки как бы с ребра, их проекции на небо перпендикулярны к галактическому экватору, что и дает наблюдаемую поляризацию.

Рис. 33. Поляризация звезд, расположенных в направлении, перпендикулярном к рукаву (вверху) и параллельном рукаву (внизу) (по В. Хилтнеру)

Расчеты X. Ван де Холста (Голландия) показали, что пылинки, состоящие из диэлектрических кристаллов, могут объяснить наблюдаемую зависимость между максимальной поляризацией и покраснением, если длинные оси их примерно в два раза длиннее коротких и если значительная часть пылинок ориентирована указанным выше образом. Какая же причина может вызвать ориентацию? Из нескольких возможных в принципе механизмов только магнитное поле может до известной степени выдержать количественную проверку. Теория упорядочения частиц магнитным полем развита Л. Девисом и Д. Гринстейном (США). Сущность ее сводится к следующему.

Из-за столкновений с атомами межзвездного газа пылинка находится в состоянии непрерывного движения и вращения. Включения металлических, в том числе ферромагнитных, веществ придают пылинке слабые магнитные свойства. В магнитном поле она намагничивается, приобретает магнитный момент, подобно тому как намагничивается сердечник электромагнита, но в гораздо более слабой степени. Если бы пылинка не вращалась, ее момент был бы параллелен внешнему полю Галактики. Однако вследствие быстрого вращения пылинки намагничивание и размагничивание, которые требуют некоторого времени, отстают от направления внешнего поля, поэтому между полем и моментом имеется некоторый угол. Взаимодействие магнитного момента пылинки и поля дает пару сил, тормозящих вращение. При этом энергия вращения превращается в теплоту, так как постоянное перемагничивание нагревает пылинку.

Известно, что пара сил, действующая на волчок, заставляет его изменять направление оси вращения. Например, под действием силы веса, приложенной к центру тяжести и реакции пола, приложенной к точке опоры, ось волчка описывает конус. Направление пары сил, тормозящей пылинку, таково, что ось вращения приближается к направлению поля. По мере этого приближения взаимодействие уменьшается, уменьшается торможение, и ось вращения смещается все медленнее и медленнее. В конечном счете пылинка оказывается вращающейся вокруг одной из своих коротких осей, причем последняя ориентирована вдоль поля. Тогда длинная ось остается перпендикулярной полю, что и требуется для объяснения поляризации, если поле направлено вдоль рукавов.

Если бы не было столкновений с атомами, все пылинки пришли бы со временем в такое упорядоченное состояние. Однако столкновения нарушают его, и степень упорядоченности зависит от соотношения этих двух факторов. Скорость упорядочения зависит от магнитных свойств пылинки и от напряженности поля, скорость разрушения - от плотности и температуры газа. В условиях газовых облаков поле, необходимое для достаточно пол ной упорядоченности, должно иметь напряженность около 10^-5 эрстед. Таким образом, поляризация света звезд приводит примерно к такому же значению напряженности, как и первые два метода.

Однако между ними имеется существенное различие. Первые два метода указывали на поле, заполняющее сферическую подсистему и имеющее, по-видимому, хаотический характер, обусловленный движениями газа. Поляризация говорит о наличии регулярного поля, направленного вдоль спиральных ветвей. Хотя взаимоотношение между регулярным и хаотическим полями неясно, можно думать, что реальны и те и другие, так как одно только поле рукавов не может объяснить ни удержание космических лучей, в частности релятивистских электронов, наблюдаемых в сферической подсистеме, ни распределение радиоизлучения Галактики. По-видимому, рукав представляет собой сравнительно тонкую силовую трубку, проходящую среди хаотических полей.

Определение поля из наблюдений поляризации света дает недостаточно полные сведения. Во-первых, оно дает не локальные, а усредненные характеристики поля, поляризация образуется на всем пути света длиной в сотни парсеков. Во-вторых, оно не определяет в явном виде соотношение между энергиями поля и вещества, а это соотношение, как уже говорилось, существенно для поведения вещества - в слабом поле движения происходят почти свободно, в сильном они могут происходить только вдоль силовых линий.

Поэтому большое значение имеет другой метод исследования регулярного поля, свободный от указанных недостатков. Г. А. Шайн обратил внимание на то, что многие светлые туманности сильно вытянуты (рис. 34), обычно в направлении вдоль плоскости Галактики. Практически все большие туманности вытянуты. Такая форма не может быть объяснена растягивающим действием дифференциального вращения, которому требуется для этого сотня миллионов лет, т. е. больше, чем возраст туманностей. Среди темных туманностей, как указала еще ранее Е. Л. Рускол (СССР), тоже очень много вытянутых (рис. 35), причем направление их обычно образует малый угол с галактическим экватором. Светлые туманности, как уже говорилось выше, расширяются. По-видимому, то же относится и к темным туманностям, поскольку в них наблюдаются внутренние движения со скоростями 2 - 3 ^км/_сек. Г. А. Шайн предположил, что вытянутость есть результат расширения в магнитном поле, достаточно сильном, чтобы препятствовать движениям поперек силовых линий.

Чтобы убедиться в том, что туманности действительно вытянуты в направлении поля, он сопоставил их с данными о поляризации света звезд. Одно из таких сопоставлений представлено на рис. 36. И вытянутость и поляризация направлены в общем параллельно галактической плоскости. Однако имеются значительные отклонения, причем и для вытянутости и для поляризации они примерно одинаковы. Это хорошо заметно в нижней части карты, где оба направления образуют большой угол с плоскостью Галактики. Такое совпадение, имеющееся и во многих других областях, дает очень сильное подтверждение гипотезам о магнитном поле как об общей причине обоих явлений.

С. Б. Пикельнер и Л. П. Метик (СССР) сделали попытку обнаружить влияние поля на движения быстрых облаков. Для этого они отобрали из каталога Адамса сведения о межзвездных линиях, которые наблюдаются в трех областях неба - двух в направлении вдоль рукавов и одной, в которой луч зрения перпендикулярен рукаву.

Оказалось, что движения вдоль рукава происходят с большей скоростью, чем поперек него. Причина заключается, по-видимому, в том, что поперечные движения тормозятся магнитным полем.

Рис. 34. Вытянутые светлые туманности в Лебеде (Крымская обсерватория)

Рис. 35. Вытянутые темные туманности в созвездии Тельца (по Барнарду)

Рис. 36. Сопоставление направлений поляризации и вытянутости туманностей в области Тельца (по Г. А. Шайну)

Изучение карт, подобных рис. 36, привело Г. А. Шайна к выводу, что магнитное поле рукавов не имеет такого правильного вида, как принималось до этого. На больших участках неба поле иногда отклоняется от среднего направления, образуя гигантские флуктуации. Сопоставляя средние углы наклона поля в разных участках Млечного Пути, Г. А. Шайн выделил некоторый систематический ход их с долготой. Отсюда следовало, что среднее направление регулярного поля в окрестностях Солнца (область диаметром более 600 парсеков) наклонено к плоскости Галактики на угол около 18°. Это согласуется с тем фактом, что спиральные рукава тоже не являются совершенно правильными, они иногда наклонены к плоскости Галактики, и, как видно на фотографиях спиральных туманностей, часто состоят как бы из отдельных обрывков. Однако плоскость поля не совпадает с какой-либо выделяющейся группой звезд.

Кроме больших флуктуаций, имеются локальные поля гораздо меньшего размера, порядка 10 парсеков, часто наклоненные под большим углом к общему полю. Один из характерных примеров показан на рис. 37.

В некоторых местах направления как вытянутости, так и поляризации ведут себя очень сложно, они быстро меняются от точки к точке. Может быть, в этих областях поле было слабее и движения газа сильнее искривили силовые линии. В большей же части рукавов, как следует из наличия вытянутых туманностей, движение вещества регулируется полем.

Это заключение, которое предполагалось и раньше, но в более гипотетической форме, так как не было подтверждено прямыми данными наблюдений, имеет большое космогоническое значение.

Чтобы выяснить это значение, вспомним, что представляют собой спиральные рукава. Они являются местами концентрации межзвездного газа, в частности нейтральных и ионизованных облаков, диффузных туманностей и горячих звезд. Все эти объекты движутся и должны, казалось бы, покинуть пределы рукава за несколько десятков миллионов лет. Правда, возраст туманностей не достигает этой величины, и отдельные облака тоже должны рассеиваться за более короткий срок, но газ Галактики в целом существует более долгое время. Мы не знаем, как долго сохраняется спиральный рукав, возможно, что он формируется и распадается за время меньшее, чем возраст Галактики. Наличие очень длинных ветвей у некоторых галактик говорит, по-видимому, о том, что по крайней мере в отдельных случаях возраст рукава может достигать нескольких сот миллионов лет. В таком случае нужно объяснить, почему газ рукава не рассеялся. Возможно, что причиной этого является сдерживающее влияние магнитного поля.

Рис. 37. Локальное поле в Стрельце (четыре звезды с большой поляризацией) (по Г. А. Шайну)

На движения звезд магнитное поле, конечно, не действует. Однако возраст горячих звезд не превышает нескольких десятков миллионов лет, поэтому они не могли уйти далеко от места своего рождения. Но если они рождаются в рукавах, значит то вещество, из которого они образуются, также должно было удерживаться в рукавах в течение достаточно долгого времени. По-видимому, это означает, что предками звезд были объекты, напоминающие скорее газ, чем плотные тела. Возможно, что с вытянутостью туманностей и отдельных деталей их в магнитном поле связано наличие цепочек звезд. Впервые В. Г. Фесенков и Д. А. Рожковский (СССР) указали на космогоническое значение этих цепочек. Большинство коротких цепочек является, по-видимому, результатом случая, но обнаруженные ими длинные тесные цепочки, содержащие 10 - 15 почти одинаковых звезд, не могут быть случайными. Свойства звездных цепочек в связи с их недавним образованием изучал также Д. Я. Мартынов (СССР). Цепочки сверхгигантов обнаружены в спиральной галактике М 33 Б. А. Воронцовым-Вельяминовым, в скоплениях, содержащих звезды О,- В. А. Амбарцумяном и Б. Е. Маркаряном (СССР). Скопления звезд типа Т Тельца, согласно П. П. Паренаго (СССР) и П. Пиш-мишу (Мексика), часто образуют цепочки внутри Т-ассоциаций. Несколько систем типа Трапеции также располагаются иногда в виде цепочек (С. Шарплесс, США). Все эти факты говорят, по-видимому, о том, что звезды образуются в некоторых случаях из холодных газопы-левых волокон различных масштабов, но детали этого процесса еще совершенно не ясны. Может быть, он связан с образованием "слоновых хоботов" (рис. 27) и распадом их на части.

Что можно сказать о происхождении поля рукавов? К сожалению, на этот вопрос пока еще нельзя дать сколько-нибудь обоснованный ответ. Несомненно, что оно связано с образованием самих ветвей, так как во всех спиральных галактиках ветви состоят из газа и горячих звезд, а для удержания газа нужно, как мы видели, магнитное поле. По-видимому, спиральная структура является характерной формой для вращающейся подсистемы газа вообще. К. Вейцзеккер (ФРГ) высказал предположение, что рукав образуется в результате гравитационной конденсации газа. Сначала газ распадается под действием тяготения на отдельные достаточно массивные сгустки, которые затем растягиваются дифференциальным вращением, приобретая форму спирали. Для образования более вытянутой спирали требуется соответственно больше времени. Если в газе было хаотическое магнитное поле, то при растягивании оно должно приобрести преимущественную ориентацию. Каждая силовая линия остается запутанной, но все-таки на большей части своей длины она будет образовывать небольшой угол с осью рукава. Такое поле тоже даст и поляризацию и вытянутые туманности, поэтому пока нельзя на основе наблюдений решить, направлено ли поле в одну сторону или во встречных направлениях.

Однако если удастся измерить эффект Зеемана у линии 21 см, то можно будет определить знак ноля в разных частях неба. Тогда наблюдения вдоль рукава покажут, является ли поле однородным или хаотическим, но растянутым.