[Перевод] Спросите Итана №66: магнетизм издалека

Достаточно сложно измерить даже магнитное поле Земли – как же мы тогда меряем его у Солнца, звёзд и удалённых галактик?

Не бывает ничего слишком чудесного, чтобы быть правдой, если только это согласуется с законами природы
— Майкл Фарадей

И снова у нас конец недели, и время для еженедельного ответа на ваши вопросы. Я просмотрел пришедшие вопросы, среди которых были и очень хорошие, но победителем становится Форбс Хирш, который спрашивает:

Как мы можем измерить магнитные свойства на расстоянии? Обычно это связано с Солнцем, северными или южными склонениями, силами, и т.п. Как мы можем «почувствовать» магнитные силы на таких расстояниях?

Начнём с того, чем мы занимаемся здесь, на Земле.

Магнитные поля сами по себе не оставляют видимых, различимых следов. Мы можем видеть доказательства их существования только по тому, как они воздействуют на отзывающиеся на магнитные силы предметы. Это намагниченные или намагничиваемые материалы или же заряженные частицы, двигающиеся сквозь магнитные поля.

Пример с ферромагнитным веществом (типа железа), выстраивающимся вдоль магнитных линий, чаще всего используется для просмотра и визуализации магнитных полей. Вы могли бы решить, что подобный метод в случае астрофизики весьма непрактичен, поскольку мы не можем взять материал, бросить его на звезду и показать нам её магнитные линии.

Или можем?

youtu.be/6F3pDa7UKAk

В каком-то смысле, да! Солнце – это ионизированная плазма, с отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ядрами и ионами в фотосфере. В результате воздействия магнитного поля на заряженные частицы с разными массами в местах усиления поля давление повышается, что приводит к выбросу звёздного материала. А выглядит это как знакомые нам солнечные пятна и коронарные петли.

Траектория заряженных частиц искривляется в присутствии магнитных полей, а, исходя из фотографий поверхности светила, у внутренностей Солнца очень искривлённое и перекрученное магнитное поле.

Кроме того, доказательства наличия магнитного поля поступают не только от Солнца, а его присутствие выдают не только изображения заряженных частиц. Существует такая прекрасная штука, как эффект Зеемана, в результате которого у частиц, обычно имеющих единственную линию поглощения (на определённой частоте), в присутствии магнитных полей эти линии расщепляются. Измеряя линии поглощения, их длины волн и расщепление, и сравнивая их с шаблонами неподвижных систем отсчёта, мы можем не только воссоздать параметры движения и вращения звезды, но и построить карту её магнитных полей.

Но надежда есть даже когда мы не можем проводить подобные измерения. Мы можем искать потоки ускоряющихся частиц, исходящие от различных астрофизических объектов – звёзд, белых карликов, нейтронных звёзд, чёрных дыр и активных галактик – и, исходя из полученных данных, экстраполировать магнитные процессы в них.

Но если удалённые галактики не будут активными? Но даже и тогда, хотите – верьте, хотите – нет, мы можем разметить их магнитные поля, пользуясь тем, что свет – это электромагнитная волна, реагирующая на магнитные поля.

В частности, существует эффект Фарадея, в результате которого свободные электроны в межзвёздном магнитном поле придают свету круговую поляризацию определённой величины. И хотя в процессе участвует очень много переменных, вроде плотности электронов и величины магнитного поля, влияние на длину волны выражается довольно просто. Поэтому вам нужно лишь посмотреть в сторону от галактики, измерить поведение фонового света на разных частотах, потом пройти через всю галактику, делая те же измерения, и выйти с другой стороны.

В итоге вам надо будет измерить вращение света из-за эффекта Фарадея, и после реконструкции распределения плотности электронов вы получите карту магнитных полей галактики.

К примеру, мы составили карту магнитных полей галактики Водоворот (M 51), благодаря исходящим от неё радиоволнам с большой длиной волны и их фарадеевскому вращению.

Недавно мы добились огромного успеха — мы смогли построить весьма детальные карты магнитного поля и нашей собственной галактики.

Обычно получать информацию о ней очень сложно из-за того, что мы находимся внутри. Но для задачи построения карты магнитных полей это как раз плюс, поскольку мы находимся близко и можем рассматривать всё в деталях. (Помогает также и тот факт, что большая часть галактики проницаема для используемых нами длин волн).

Европейское космическое агентство выпустило самую лучшую карту магнитных полей нашей галактики только в этом году!

Ещё больше впечатляют выпущенные ими снимки деталей этих полей, наложив на них горячие и холодные места с карты микроволнового фонового излучения. Посмотрите на этот импрессионизм.

Поэтому, Форбс, даже если мы не можем измерить магнетизм напрямую, мы знаем о его воздействии на заряженные частицы, о поглощениях спектральных линий и поляризации фотонов. Мы можем использовать эту информацию для воссоздания карты магнитных полей любого астрофизического объекта Вселенной, от звёзд до удалённых галактик!

Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.