Впервые измерены межгалактические магнитные поля
|
Двое калифорнийских ученых сделали заявку на фундаментальное астрофизическое открытие. Физик-теоретик из Калтеха Синъитиро Андо (Shin’ichiro Ando) и профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Александр Кусенко (Alexander Kusenko) представили свои результаты в статье «Evidence for Gamma-Ray Halos Around Active Galactic Nuclei and the First Measurement of Intergalactic Magnetic Fields». Пока что она доступна только в архиве препринтов, а 10 октября появится в Astrophysical Journal Letters (V. 722. №1). Авторы этой работы полагают, что им впервые удалось обнаружить и измерить реликтовые магнитные поля, пронизывающие практически пустое межгалактическое пространство. Поиски таких полей ведутся с середины прошлого столетия.
Магнитные поля внутри галактик
Астрономам уже больше 60 лет известно о существовании магнитных полей в пространстве внутри галактик и галактических кластеров. Первые данные о магнитном поле нашей собственной Галактики — Млечного Пути — были получены еще в 1949 году. Вскоре ученые убедились в универсальности этого феномена и нашли для него реалистичные объяснения.
Межзвездная среда содержит не только нейтральные атомы и молекулы, но и заряженные частицы, прежде всего электроны и протоны, — иначе говоря, является плазмой. В этой плазме могут возбуждаться различные процессы, приводящие к возникновению магнитных полей. Например, внутри галактик (равно как и протогалактик) действуют динамические механизмы, порожденные температурными и гравитационными градиентами, которые создают тенденцию к пространственному разделению зарядов разных знаков.
В результате в плазме возникают неоднородные электрические поля, порождающие замкнутые токи, которые и генерируют внутригалактический магнетизм, хотя и весьма слабый. В дальнейшем эти зародышевые поля (seed fields) усиливаются различными гидродинамическими механизмами — например, ударными волнами.
Галактики располагают и другими способами генерации магнетизма, но их обсуждение завело бы нас слишком далеко. Во всяком случае, необходимо подчеркнуть, что благодаря высокой электропроводности космической плазмы уже возникшие магнитные поля практически никогда полностью не исчезают — это утверждение иногда называют золотым правилом астрофизики. Этому кругу вопросов посвящено великое множество публикаций. Сошлюсь, например, на подробный обзор Рейнера Бека и соавторов (Rainer Beck et al. Galactic Magnetism: Recent Development and Perspectives // Ann. Rev. Astron. Astropyth. 1996. V. 34. P. 155–206), который полностью доступен в интернете; более новые наблюдательные данные и теоретические модели детально и вполне доступно обсуждаются в монографии J. B. Zirker. The Magnetic Universe // The John Hopkins University Press, Baltimore, 2009 (книга приведена полностью).
Так что галактические магнитные поля реальны и неплохо изучены. Более того, анализ излучения древнейших радиоквазаров дает основания считать, что галактический или протогалактический магнетизм возник не позднее чем через 900 миллионов лет после Большого взрыва.
Вот, ради определенности, кое-какие численные данные. Вблизи Солнца средняя индукция магнитного поля равна 6 микрогауссам, а в центре нашей Галактики она достигает 20–40 микрогауссов. Такие же показатели типичны и для прочих спиральных галактик. Магнитные поля внутри их дисков в среднем составляют около 10 микрогауссов, а в галактических гало — вдвое меньше. В галактиках, богатых газом и потому активно рождающих молодые звезды, магнитные поля сильнее в 3–5 раз, а в их центральных зонах могут превышать и сотню микрогауссов. Внутри эллиптических галактик плотность заряженных частиц намного меньше среднего уровня для галактик со спиральными рукавами (который составляет миллион на кубический метр), поэтому их магнитные поля гораздо слабее, да и вообще о них мало что известно.
Поля с индукцией в микрогауссы и десятки микрогауссов пронизывают и скопления галактик — галактические кластеры. Но вот в космическом пространстве, разделяющем эти звездные ассоциации, магнетизм до сих пор давал о себе знать только неподалеку от их границ. Как считается, он существует благодаря «утечке» магнитных силовых линий внутригалактического происхождения (например, в результате выбросов намагниченных плазменных джетов в межгалактическую среду). В чрезвычайно разреженном пространстве вдали от всех и всяческих звездных популяций, где плотность заряженных частиц не составляет даже единиц на кубометр, магнетизм обнаружить никак не удавалось. Во всяком случае, из наблюдений и теории следует, что он не может превышать 10–12–10–9 Гс.
Космологические модели магнетогенеза
Тем не менее проблема межгалактических магнитных полей (intergalactic magnetic fields, IGMF) никогда не считалась закрытой. Это и не удивительно. Регистрация таких полей привела бы к появлению новых способов объяснения магнетизма галактических масштабов. Дело в том, что даже чрезвычайно слабые (порядка 10–30 Гс) поля в принципе могли бы сыграть роль зародышей галактического магнетизма. Идея в том, что галактики могли захватить и усилить эти поля посредством конвективного механизма, аналогичного геомагнитному динамо, поддерживающему магнитное поле нашей планеты. Кроме того, происхождение межгалактических полей надо было бы объяснить, а это очень интересная задача (см., например, обзорную статью Lawrence M. Widrow. Origin of Galactic and Extragalactic Magnetic Fields // Rev. Mod. Phys. 2002. V. 74. P. 775–823).
Теоретики любят опережать наблюдения и эксперименты и потому успели придумать немало элегантных моделей, описывающих возникновение межгалактических магнитных полей. Так, 9 лет назад один из мировых авторитетов в этой области Стирлинг Колгейт вместе с двумя соавторами опубликовал работу в защиту гипотезы, согласно которой эти поля могут выбрасываться в глубокий космос из аккреционных дисков, окружающих черные дыры (Stirling A. Colgate, Hui Li, Vladimir Pariev. The Origin of the Magnetic Fields of the Universe: The Plasma Astrophysics of the Free Energy of the Universe // Physics of Plasmas. 2001. V. 8. Issue 5. P. 2425–2431). С другой стороны, существуют модели, которые исходят из предположения, что межгалактические поля возникли на заре существования нашей Вселенной, то есть являются реликтами тех или иных эпох, последовавших за Большим взрывом. Эти идеи освящены авторитетом великого Энрико Ферми, который впервые выступил с такой гипотезой еще в 1949 году.
Теории из этого семейства принято называть космологическими моделями магнетогенеза. Они датируют этот процесс разными фазами ранней эволюции Вселенной: эпохой инфляционного расширения (10–36–10–34 сек), эпохой прекращения рождения W- и Z-бозонов и автономизации слабого и электромагнитного взаимодействий (она закончилась, когда возраст Вселенной дошел до 10–12 сек), кварковой эпохой, которая привела к рождению адронов из кварк-глюонной плазмы (10–12–10-6 сек), и фотонной эпохой, которая завершилась через 380 000 лет после Большого взрыва, когда свободные электроны полностью объединились с ионами и в космическом пространстве вместо плазмы появились нейтральные атомы. Степень обоснованности этих моделей различна, но их обсуждение выходит за рамки настоящей заметки.
Как были обнаружены межгалактические магнитные поля
Перед тем, как обратиться к статье Андо и Кусенко, стоит вспомнить совсем недавнюю работу сотрудников Женевской обсерватории Андрея Неронова и Евгения Вовка: Andrii Neronov, Ievgen Vovk. Evidence for Strong Extragalactic Magnetic Fields from Fermi Observations of TeV Blazars // Science. V. 328. P. 73–75 (2 April 2010). Ее авторы пришли к выводу, что реликтовые внегалактические поля существуют и не могут быть меньше, чем 3 ? 10–16 Гс. Неронов и Вовк строят свое заключение на косвенных аргументах (оно позволяет объяснить, почему аппаратура Космического гамма-телескопа имени Ферми (Fermi Gamma-ray Space Telescope) не обнаружила в спектре нескольких блазаров гамма-кванты определенного вида), но не претендуют на действительное наблюдение внегалактического магнетизма. Однако их оценка его силы хорошо согласуется с результатами Андо и Кусенко.
Что же сделали Андо и Кусенко? Авторы применили методику поиска межгалактических магнитных полей, основанную на идеях, предложенных еще в середине прошлого десятилетия (см.: F. A. Aharonian. P. S. Coppi, H. J. Voelk. Very High Energy Gamma-Rays from AGN: Cascading on the Cosmos Background Radiation Fields and the Formation of the Pair Halos // Astrophysical Journal, 423 (1994), L5-L8 и R. Plaga. Detecting intergalactic magnetic fields using time delays in pulses of ?-rays // Nature. V. 374. P. 430–432. 30 March 1995). Суть методики в следующем. В космосе есть немало источников гамма-квантов с энергиями порядка тераэлектронвольт (1012 эВ). Эти кванты могут рассеиваться на других фотонах, всегда путешествующих между галактиками, которые в совокупности образуют диффузное электромагнитное поле, известное как внегалактический фоновый свет (Extragalactic Background Light, EBL). В ходе такого рассеивания возникают электрон-позитронные пары, которые, в свою очередь, встречаются с фоновыми фотонами и увеличивают их энергию. Этот каскадный процесс как раз и приводит к рождению вторичных гамма-квантов меньших энергий.
К числу источников гамма-квантов тера-диапазона относятся и активные ядра галактик. Там локализованы сверхмассивные черные дыры, рождающие такие фотоны в своих аккреционных дисках. Эти ядра можно «разглядеть» с помощью гамма-телескопов. Генерация вторичных гамма-фотонов приводит к тому, что такие изображения несколько размываются, у них появляются ореолы — или, на профессиональном языке, гало. Структура этих гало отражает характер возникновения вторичных гамма-лучей, которое, в свою очередь, зависит от пространственного распределения электронов и позитронов, рожденных первичными гамма-квантами. Если в межгалактическом пространстве имеются магнитные поля, они влияют на это распределение, поскольку и те, и другие частицы закручиваются по спиралям вокруг магнитных силовых линий. Следовательно, эти поля в принципе можно обнаружить, анализируя гамма-изображения активных ядер далеких галактик. Их присутствие проявляется и в специфическом запаздывании вторичных гамма-квантов, которое тоже можно зарегистрировать с помощью космических гамма-телескопов.
Именно это и проделали Андо и Кусенко. Поскольку одно-единственное активное галактическое ядро посылает на Землю слишком мало фотонов, они сгруппировали данные по 170 таких ядер, собранные аппаратурой гамма-телескопа имени Ферми. Чтобы повысить надежность результатов, они проводили измерения в трех диапазонах гамма-излучения, охватывающих энергии 1–3 ГэВ, 3–10 ГэВ и 10–100 ГэВ.
И вот что получилось. Отклонения от ожидаемого распределения гамма-излучения точечных источников (то есть при отсутствии гало) были выявлены на доверительном уровне 99,95%. Поэтому Андо и Кусенко полагают, что выполненный анализ сгруппированных изображений активных галактических ядер и в самом деле позволил обнаружить физический эффект, вызванный наличием межгалактических магнитных полей. Их величину они оценивают приблизительно в 10–15 Гс. Легко видеть, что этот результат хорошо согласуется с нижней границей индукции таких полей, вычисленной Нероновым и Вовком.
Александр Кусенко в телефонной беседе поделился кое-какими деталями, не вошедшими в статью. Он рассказал, что, по предварительным данным, межгалактические магнитные поля заметно меняют свое направление уже на довольно малых — естественно, в космологических масштабах — расстояниях (если воспользоваться технической терминологией, имеют небольшую длину когерентности). Если этот результат подтвердится, можно будет с полной уверенностью сказать, что мы имеем дело с полями реликтового происхождения. Тогда откроется возможность выбирать между различными моделями реликтового магнетогенеза, поскольку они делают весьма неодинаковые прогнозы относительно современной величины межгалактического магнетизма.
Источник: Shin’ichiro Ando, Alexander Kusenko. Evidence for Gamma-Ray Halos Around Active Galactic Nuclei and the First Measurement of Intergalactic Magnetic Fields // arXiv:1005.1924v2 [astro-ph.HE] 2 Sep 2010.
Алексей Левин
