Магнитные поля в космосе

ГБОУ лицея  № 395

Магнитные поля в космосе.

Лагута Вероника

11Б класс

Учитель физики

Баркова Елена Юрьевна

 

Санкт-Петербург   2012

 

 

Содержание:

Общие сведения о магнетизме. 3

Начало изучения космического магнетизма. 4

Откуда берется  магнетизм. 4

Магнетизм и возникновение  звезд. 7

Жизнь после смерти. 8

Пульсары и магнетары. 9

Спирали и Эллипсы. 11

Гелиосферный токовый  слой. 12

Магнитное поле Земли. 13

Заключение 15

Терминология. 16

Список используемой литературы и сайтов. 18

 

 

 
Общие сведения о магнетизме.

Магнетизм является универсальным свойством материи. Причина тому — наличие магнитных  моментов у электронов, протонов и  нейтронов — кирпичиков мироздания, из которых состоят атомы и  молекулы, а значит, и все тела. В результате магнитными свойствами обладают все окружающие нас предметы. Наиболее ярко они проявляются в  сильномагнитных веществах (магнитоупорядоченных — ферромагнитных, антиферромагнитных, ферримагнитных), но обладают ими и  слабомагнитные вещества, хотя последние  часто довольно слабо реагируют  на магнитные поля. Если мы обратимся к просторам Космоса, то увидим, что окружающий нас мир состоит, в основном, из частично или полностью ионизованной плазмы, пронизанной магнитными полями. Неплазменными являются только межзвездные пылинки и их конгломераты (например, ядра комет), а также более крупные тела: планеты, нейтронные звезды и т.д.

Плазма не относится  к сильномагнитным веществам, но заряженные частицы космической  плазмы, а через них и вся  плазма, очень тесно связаны с  магнитными полями, Во многих случаях  влияние магнитных полей на процессы, протекающие в космической плазме, является определяющим. В других случаях, напротив, движения вещества формируют  магнитные свойства космической  среды. 

В Космосе какой-либо заметной магнитной упорядоченности  не встречается, и магнитные поля порождаются токами, текущими в космической  плазме. Из-за огромных размеров космических  объектов магнитное поле, возникнув  однажды, способно существовать без  поддерживающих сил очень долго  — иногда многие миллиарды лет. Для  их поддержания достаточно совершенно ничтожных, незаметных токов, В результате для космической плазмы обычна ситуация, когда крупномасштабные электрические  поля исчезающе слабы, а магнитные — сильны.

После запуска первого  искусственного спутника Земли в 1957 г. появилась возможность непосредственного  детального изучения околоземного космического пространства, а также и межпланетного  пространства. Образовалось новое научное  направление — физика Космоса, или  космофизика. В этой области знаний, появившейся на стыке астрономии, геофизики и физики, за последнюю  четверть века накоплено огромное количество информации. В результате магнитные  поля «ближнего Космоса» и их проявления изучены несравненно более подробно, чем в более далеких объектах. Но и о самых удаленных космических  телах современными методами удается  получить много важной, интересной и часто неожиданной информации.

Начало изучения космического магнетизма.

В 1949 году американские астрономы  Уильям Хилтнер и Джон Холл обнаружили слабую поляризацию звездного света  в нашей Галактике. В поисках  объяснений этого явления Хилтнер  связал эту поляризацию с действием  магнитного поля на пылевые частицы. Через год сотрудники Калтеха  Леверетт Дэвис и Джесси Гринстайн  оценили величину этого поля. Позднее  Хилтнер обнаружил этот же эффект в галактике М31 (она же туманность Андромеды) и тем самым положил  начало изучению космического магнетизма. 

 

Магнитные поля изрядно потрудились  во время формирования Солнца и его  окружения. Они поддерживают стабильность галактических структур, воздействуют на космические лучи и управляют  потрясающими по мощи процессами в  нейтронных звездах и их окрестностях. Космический магнетизм правит бал  на всех уровнях организации нашей  Вселенной.

 

Откуда берется магнетизм.

 
         Происхождение галактических магнитных полей объясняют две противоборствующие концепции. Энрико Ферми после публикации первых результатов Хилтнера выдвинул гипотезу реликтового магнетизма, возникшего в скорости после Большого взрыва. По его мнению, галактики захватили и усилили эти магнитные потоки, в результате чего возникли поля, которые мы наблюдаем сегодня. Английский астроном Фред Хойл выступил с серьезными возражениями, а американский астрофизик Юджин Паркер объяснял галактический магнетизм круговыми движениями плазмы в галактиках и их скоплениях. Позднее эту модель галактического динамо развивали различные ученые (в том числе и в СССР). 

 

 

В феврале 2006 года японские астрофизики опубликовали модель рождения реликтовых магнитных полей.

По словам астрофизика из Принстона, Анатолия Спитковского, всплески возникают вследствие сильнейшего разогрева плазменной оболочки, окружающей магнетар. Из разлома коры вырывается огненный шар, излучающий гамма - кванты и рентгеновские фотоны. Поскольку магнетар быстро вращается, эти лучи уходят в разных направлениях и могут в виде гамма - всплесков задеть нашу планету. Спитковский смоделировал этот процесс на компьютере и получил серию изображений.

 

Фотонный ветер

Они рассмотрели механизм, который мог генерировать эти  поля в промежутке между эрой первичного нуклеосинтеза и появлением нейтральных  атомов. Обычная материя тогда  была горячей плазмой, состоящей  из протонов с небольшой добавкой ядер дейтерия, гелия и лития, электронов и высокоэнергетичных фотонов. В  этой плазме возникали потоки фотонного  ветра, дувшего из областей с высокой  концентрацией квантов в зоны, где их было меньше. Фотонные струи  увлекали за собой электроны, но практически  не влияли на тяжелые носители положительного заряда. Движение электронов рождало  вихревые токи, которые и создали  первичные магнитные поля протяженностью в миллионы световых лет. Этот механизм прекратил работать через 400 ООО  лет после Большого взрыва, когда  свободные электроны объединились с ионами и перестали взаимодействовать  с фотонным газом. По оценкам авторов, сила первичных полей составляла 10~18 гауссов в масштабе мегапарсеков, но на килопарсековой шкале могла  оказаться в тысячи и десятки  тысяч раз большей. За следующие  миллиарды лет поля, рожденные  этим механизмом, должны были сильно ослабеть и сейчас вряд ли превышают 10^-24 гауссов.

 

Теории реликтовых полей  подчас выглядят весьма элегантно, и  некоторые даже могут оказаться  верными. Однако, чтобы это выяснить, необходимо точно измерить межгалактический магнетизм, а это еще никому не удавалось. Иное дело поля внутри галактик и галактических кластеров. Их появление хорошо описывается теорией, предложенной 60 лет назад немецким астрофизиком Людвигом Бирманном. Этот механизм называется батареей Бирманна. Магнитные поля могут возникать при вращении плазмы, падающей на черную дыру. У природы есть немало способов усилить эту намагниченность – например, посредством сжатия космической плазмы ударными волнами. Такие процессы постоянно происходят в спиральных галактиках, что и обеспечивает стабильность их внутреннего магнетизма.

 

Батарея Бирманна

Выделим в пространстве куб, заполненный  электронно-протонной плазмой. Допустим, что по правую сторону куба сила тяготения и температура выше, нежели по левую. Примем также, что горизонтальный температурный градиент нарастает  при движении от верхней грани  куба к нижней. Такие ситуации вполне обычны в звездных окрестностям. Что  же произойдет? Гравитационное поле тянет  электроны и протоны вправо, а  перепад температур создает давление, смещающее их к левой грани. Это  давление не зависит от массы частиц, а вот сила тяготения ей пропорциональна. Получается, что электроны мигрируют  влево быстрее протонов. Это приводит к возникновению горизонтального  электрического поля, препятствующего  слишком сильному расхождению частиц с разными зарядами. Поле неоднородно: его величина возрастает по направлению  к нижней грани, где температура  изменяется сильнее. Поэтому оно  генерирует замкнутые токи, соединяющие  верхнюю и нижнюю области, которые  и создают магнитное поле.

 

 

 

Однако попытки измерить межгалактический магнетизм могут  оказаться вполне успешными. Всего  через полторы недели после беседы с профессором Цвейбел сотрудник  Калифорнийского технологического Шин-Ичиро Андо и его коллега  из Калифорнийского университета в  Лос-Анджелесе Александр Кусенко  сообщили, что им, возможно, удалось зарегистрировать межгалактические магнитные поля. Эти поля должны несколько размывать гамма- лучевые портреты активных центров галактик. Андо и Кусенко утверждают, что им удалось обнаружить такие «ореолы» на совмещенных изображениях 170 активных галактических центров, полученных космическим гамма- телескопом «Ферми» (Fermi Gamma-ray Space Telescope). Они оценили силу полей, которая оказалась неожиданно большой, порядка 10^–15 гауссов. Если их выводы подтвердятся, открытие будет иметь огромное значение для астрономии и космологии.

Магнетизм и возникновение звезд.

 
         Галактические магнитные поля связаны и с процессами рождения звезд. Давно известно, что звезды возникают в результате гравитационного сгущения холодных и сравнительно плотных облаков космического газа. Такие облака, в каждом кубическом сантиметре которых содержится от десятка до миллиона частиц, подчас простираются на сотни световых лет. Особо плотные и обширные облака могут дать начало сотням и даже тысячам звезд. Процессы рождения звезд, по всей видимости, завершаются весьма быстро, максимум за 10–15 млн. лет. Но детали этого процесса пока не ясны.

 
         Почти все астрофизики согласны с тем, что типичная звезда возникает в четыре этапа. Сначала газовое (или газопылевое) облако фрагментируется и в нем образуются сгустки вещества повышенной плотности. Затем каждый из сгустков сжимает сила тяготения, причем гравитационный коллапс начинается в центре сгустка и распространяется к периферии. Так формируются сферические прото - звезды, окруженные вращающимися плоскими дисками. 
         Но протозвезда не станет светилом, пока не позаимствует у диска изрядную долю его вещества. Если такое произошло (это уже третья стадия), протозвезда быстро приобретает дополнительную массу, еще больше сжимается и сильно разогревает собственное ядро. В конце концов его температура достигает нескольких миллионов градусов и начинается термоядерное горение водорода. Протозвезда превращается в звезду. 
 
         

Как рассказала профессор  астрономии Мэрилендского университета Ева Острикер, галактические магнитные  поля играют немаловажную роль в этих процессах. Чтобы вещество диска  аккретировало (падало) на протозвезду, оно должно потерять часть своего вращательного момента. Этому как  раз и способствует магнитное  поле. Уже на стадии образования  диска оно искривляет пути протонов, которые сталкиваются с нейтральными молекулами и также изменяют их траектории. Это магнитное торможение приводит к возникновению внутреннего  трения, уменьшающего вращательный момент. Позднее, когда диск обретает форму, вращение замедляется за счет другого  физического механизма, магнито - ротационной неустойчивости, который связывает между собой внутренние и внешние пояса диска и заставляет первые вращаться медленней, а вторые быстрее.  
                                  

Жизнь после смерти.

 
        Жизнь звезд главной последовательности завершается превращением в компактные объекты – белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Последние не имеют собственного магнитного поля, обладая лишь массой, угловым моментом и электрическим зарядом, а вот у остальных магнитные поля могут достигать фантастических значений. 
 
         Белый карлик образуется после гравитационного коллапса исчерпавшей топливные запасы звезды, которая в молодости тянула максимум на 8–10 солнечных масс. Из обнаруженных в нашей Галактике 2500 белых карликов более чем 90% не обладают поддающимся измерению магнитным полем. Зато остальные намагничены весьма сильно – от 0,5 до 500 МГс. Этим они обязаны коллапсу уже намагниченной материнской звезды, который плотно сжимает ее магнитные силовые линии и тем самым в тысячи раз усиливает магнитное поле. 
 
       Но абсолютные рекордсмены по магнитной части – нейтронные звезды. Обычно величина магнитного поля вблизи поверхности составляет у них 10¹² Гс, а иногда в сотни и тысячи раз превышает эту величину. Звезды с полями в 10¹⁴–10¹⁵ Гс называются магнетарами. Общее количество выявленных магнетаров и претендентов на это звание сейчас превышает пару десятков.

 

 

 
          Магнитные поля обычных нейтронных звезд, как и поля белых карликов, возникают при коллапсе звезды-родительницы, но при неизмеримо большем сжатии. Магнитный поток такой звезды замкнут внутри сферы радиусом около 10 км (вместо нескольких тысяч километров у белого карлика), поле при подобной компрессии значительно сильнее. Откуда же берется магнетизм, если у нейтронов нет электрического заряда? Правда, у них есть магнитный момент, но он дает совершенно мизерный вклад в магнитное поле. Дело в том, что такие звезды сложены не из одних только нейтронов. Их поверхностные слои, скорее всего, состоят из обычной материи, да и в глубинах имеются заряженные частицы – протоны и электроны. Они могут участвовать в конвективных процессах, порождающих в недрах звезды токи, которые и становятся источником столь сильного магнитного поля. В недрах нейтронной звезды, происходящей от сильно намагниченной звезды главной последовательности и вращающейся со скоростью более тысячи оборотов в секунду, в первые мгновения жизни включается мощнейшее динамо, которое разгоняет величину магнитного поля до гигантских значений. 
 
         К такому выводу 18 лет назад пришли принстонские физики Роберт Дункан и Кристофер Томпсон, которые и придумали термин «магнетар». Согласно их теории, недра такой нейтронной звезды всего за несколько секунд остывают настолько, что конвекция прекращается и динамо перестает работать. Однако сверхсильное магнитное поле сохраняется еще долго, поскольку оно вморожено в сверхтекучую жидкую среду, которая обладает чрезвычайно высокой электропроводностью (не исключено даже, что это сверхпроводник). Магнитное поле отбирает у звезды часть кинетической энергии и отдает ее в виде радиации и выбросов частиц.