Если магнитные поля вокруг звезд невидимы, то как ученые их изучают?

В космосе магнитные поля — хотя их и не видно в телескопы — играют важнейшую роль, оказывая влияние на небесные тела, начиная от звезд и планет и заканчивая целыми галактиками. Эти магнитные силы остаются скрытыми от прямого наблюдения, что представляет собой проблему для астрономов, поскольку их изучение становится все более сложным, особенно вблизи звезд. Чтобы решить эту проблему, астрономы используют научные инструменты, связанные с заряженными частицами, поляризованным светом и радиоастрономией.

Магнитные поля существуют во всей Вселенной, окружая такие объекты, как планеты, звезды и галактики. В отличие от звезд, которые ярко сияют, или галактик, образующих красивые узоры, магнитные поля не излучают видимого света. Эта научная загадка означает, что астрономы должны использовать практические методы, чтобы понять эти скрытые магнитные силы.

Радиоволны

Радиоволны, одна из форм электромагнитного излучения, имеют общие характеристики с видимым светом, но обладают большей длиной волны и более низкой частотой. Благодаря этим свойствам радиоволны хорошо подходят для навигации по огромным просторам космоса и проникновения даже в самые плотные космические облака.

В отличие от видимого света, который может рассеиваться или поглощаться межзвездной пылью и газом, радиоволны могут проходить сквозь эти пылинки и облака. Астрономы изучают эти газы в радиоволновом диапазоне, чтобы понять роль пыли в различных астрофизических явлениях.

Заряженные частицы и магнитные поля

Хотя сами магнитные поля нельзя увидеть напрямую, они оказывают большое влияние на поведение заряженных частиц в космосе. Это взаимодействие между магнитными полями и заряженными частицами дает ученым полезный способ их изучения.

Подумайте о полярных сияниях на Земле — красивых огнях, которые часто можно увидеть в полярных регионах. Они возникают, когда заряженные частицы солнечного ветра взаимодействуют с магнитным полем Земли. Эти частицы следуют по линиям магнитного поля и иногда врезаются в газы в нашей атмосфере. Когда это происходит, они излучают как видимый свет (то, что мы видим как полярное сияние), так и радиоизлучение, которое мы не видим, но можем обнаружить с помощью специальных приборов. Эти огни показывают нам, как работают магнитные поля.

Подобным образом магнитные поля вокруг звезд и других космических объектов могут захватывать заряженные частицы, которые, двигаясь по магнитным путям, излучают свет. Это называется синхротронным излучением, и оно возникает, когда заряженные частицы под воздействием сильных магнитных полей сильно ускоряются. Следуя за линиями магнитного поля, они испускают излучение разных длин волн, включая радиоволны.

Спектроскопия звезд в сочетании с эффектом Зеемана

Спектроскопия — это метод, позволяющий разделить свет на составляющие его цвета или длины волн и использующий фундаментальный подход к изучению небесных тел. Астрономы фиксируют свет, излучаемый звездой, и направляют его на призму или дифракционную решетку, получая спектр. Внутри этого спектра ученые изучают определенные спектральные линии, на которые влияет эффект Зеемана в присутствии магнитного поля. Смещение и расщепление этих линий дает критические сведения о силе и ориентации магнитного поля.

В XIX веке голландский физик Питер Зееман заметил, что когда электроны атома переходят с одного энергетического уровня на другой в присутствии магнитного поля, спектральные линии, создаваемые атомом, распадаются на несколько составляющих. Позднее это явление было названо эффектом Зеемана. В применении к изучению звезд он позволяет астрономам обнаруживать наличие и измерять силу магнитных полей.

Картирование магнитных полей в галактиках

Изучение отдельных звезд и черных дыр очень увлекательно, но радиоастрономия позволяет ученым взглянуть на целые галактики и огромные пространства, которые они заполняют. В нашей галактике Млечный Путь магнитные поля распространяются в пространство между звездами, которое заполнено ионизированным газом и пылью.

Ионизированный газ, хотя и не излучает много света сам по себе, обладает интересным свойством, когда взаимодействует с поляризованным светом. Когда поляризованный свет от таких источников, как пульсары, проходит через ионизированный газ, его направление меняется. Мы называем это вращением Фарадея, и то, насколько сильно оно меняется, зависит от частоты света и количества ионизированного газа.

Изучая изменения поляризованного света от пульсаров на разных частотах, ученые могут составить карты, показывающие, где в нашей галактике находится ионизированный газ. Поскольку ионизированный газ имеет тенденцию выравниваться с линиями магнитного поля, это помогает нам составить карту галактического магнитного поля.

Мы даже можем измерять магнитные поля галактик, удаленных от нас на миллиарды световых лет. Например, недавно Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая антенна (ALMA) измерила магнитное поле галактики, находящейся так далеко, что ее свет проделал путь в 11 миллиардов лет, чтобы достичь нас. В этой галактике много пыли, и свет, который она отражает и испускает, поляризован, следуя за направлением пылевых зерен. Поскольку пылевые зерна часто совпадают с линиями магнитного поля, астрономы могут использовать это для составления карты магнитного поля галактик даже в самых отдаленных уголках Вселенной.

То, что мы не можем увидеть в космосе, как раз и помогает нам лучше понять Вселенную. От тайн темной материи и темной энергии до скрытых секретов черных дыр и невидимых магнитных полей вокруг звезд и галактик — радиоастрономия является мощным инструментом для раскрытия скрытых истин Вселенной.

Используя заряженные частицы, синхротронное излучение и поляризованный свет, астрономы могут исследовать сложный мир космического магнетизма. Они расшифровывают магнитные сигналы звезд, отслеживают изменения магнитных полей в галактиках и заглядывают в прошлое, чтобы изучить древние галактики. По мере развития радиоастрономии мы систематически раскрываем тайны магнитных полей вокруг звезд и получаем практическое представление о скрытых сокровищах Вселенной.