Medgalaktična magnetna polja prvič merjena • Alexey Levin • Znanstvene novice o "Elementih" • Astrofizika

Medgalaktična magnetna polja, izmerjena prvič

Slike zgornja vrstica predstavljajo pravi razpon gama-kvante z energijami v območju od 3-10 GeV, ki prihajajo iz 170 aktivnih galaktičnih jeder (a) in model takega razpršila, izvedenega ob predpostavki točke narave virov teh fotonov (b). Spodnja vrstica vsebuje podobne slike (c) in (d), ki se nanašajo na energijo 10-100 GeV. Jasno je, da so vzorčne kartice zelo drugačne od opazovalnih kartic, še posebej v višjem energetskem območju. Sl. iz obravnavanega članka

Dva kalifornijska znanstvenika sta zaprosila za temeljno astrofizično odkritje. Teoretični fizik iz Caltecha Shinichiro Anda in profesor na Kalifornijski univerzi v Los Angelesu Alexander Kusenko so predstavili svoje rezultate v članku "Razvoj halosovega gama okoli aktivnih galaktičnih jeder" Polja ". Doslej je na voljo samo v arhivu preprintov in se bo pojavil 10. oktobra v Ljubljani Astrophysical Journal Letters (V. 722. št. 1). Avtorji tega dela verjamejo, da so prvič lahko odkrili in merili reliktna magnetna polja, ki prodirajo v skoraj prazen medgalaktični prostor. Iskanja takšnih polj so bila izvedena od sredine prejšnjega stoletja.

Magnetna polja znotraj galaksij

Astronomi že več kot 60 let poznamo obstoj magnetnih polj v vesolju znotraj galaksij in galaktičnih grozdov. Prvi podatki o magnetnem polju lastne galaksije – Mlečni poti – so bili pridobljeni leta 1949. Kmalu so znanstveniki bili prepričani v univerzalnost tega pojava in ugotovili realistične razlage za to.

Medzvezdni medij ne vsebuje samo nevtralnih atomov in molekul, temveč tudi nabranih delcev, predvsem elektronov in protonov, z drugimi besedami, to je plazma. V tej plazmi se lahko navdušijo različni procesi, ki vodijo k pojavu magnetnih polj. Na primer, v galaksijah (pa tudi proto-galaksije) obstajajo dinamični mehanizmi, ki jih povzročajo temperaturni in gravitacijski gradienti, kar ustvarja težnjo po prostorski ločitvi stroškov različnih znakov.

Posledično se v plazmi pojavijo nehomogena električna polja, ki ustvarjajo zaprti tokovi, ki ustvarjajo intragalaktični magnetizem, čeprav je zelo šibek. V prihodnosti se ta zarodna polja (semenska polja) pomnožijo z različnimi hidrodinamičnimi mehanizmi – na primer, udarnimi valovi.

Galaksije imajo tudi druge načine za ustvarjanje magnetizma, vendar bi njihova razprava nas vodila predaleč. V vsakem primeru je treba poudariti, da se zaradi visoke električne prevodnosti kozmične plazme magnetna polja, ki so se pojavila, skoraj nikoli ne izginejo – ta izjava se včasih imenuje zlato pravilo astrofizike. Ta sklop vprašanj je posvečal veliko publikacij. Mislim, na primer, na podroben pregled Rainerja Becka in soavtorjev (Rainer Beck in drugi, Galaktični magnetizem: nedavni razvoj in perspektive // Ann. Rev. Astron. Astropit. 1996. V. 34. str. 155-206), ki je v celoti dostopen na internetu; novejših opazovalnih podatkov in teoretičnih modelov so podrobno obravnavane in jih je v monografiji razložil J. B. Zirker. Magnetna vesolja // Univerza John Hopkins Press, Baltimore, 2009 (knjiga je polna).

Tako so galaktična magnetna polja resnična in dobro raziskana. Poleg tega analiza sevanja najstarejših radijskih kvazarjev nakazuje, da je galaktični ali protogalaktični magnetizem nastal najkasneje 900 milijonov let po Velikem prahu.

Tukaj, zaradi zanesljivosti, nekaj numeričnih podatkov. V bližini Sonca je povprečna indukcija magnetnega polja 6 mikro Gaussovih in v središču naše Galaksije doseže 20-40 mikro Gaussovih. Enaki kazalniki so značilni za druge spiralne galaksije.Magnetna polja znotraj njihovih diskov so v povprečju približno 10 mikro-Gaussovih, v galaktičnih halah pa so dvakrat toliko majhna. V galaksijah, ki so bogate s plinom in zato aktivno proizvajajo mlade zvezde, so magnetna polja močnejša s faktorjem 3-5, v osrednjih območjih pa lahko presegajo sto mikrorezov. Znotraj eliptičnih galaksij je gostota nabadanih delcev precej manjša od povprečne ravni galaksij s spiralnimi rokami (kar je milijon na kubični meter), zato so njihova magnetna polja precej šibkejša in na splošno malo o njih poznana.

Polja z indukcijo v mikrogauss in več deset mikrogauss permeatnih galaktičnih grozdov – galaktičnih grozdov. Toda v vesolju, ki ločuje ta zvezdna združenja, se je magnetizem še vedno počutil samo blizu svojih meja. Verjetno obstajajo zaradi "uhajanja" magnetnih polj linije intragalaktičnega izvora (na primer zaradi emisij magnetiziranih plazemskih curkov v medgalaktični medij). V izredno razdrobljenem prostoru, daleč od vseh in vsake vrste zvezdnih populacij, kjer gostota nabitih delcev ni niti nekaj na kubični meter,magnetizma ni bilo mogoče zaznati. V vsakem primeru iz opazovanj in teorije izhaja, da ne sme preseči 10-12-10-9 Gs.

Kozmološki modeli magnetogeneze

Kljub temu se problem medogalaktičnih magnetnih polj (medgalaktičnih magnetnih polj, IGMF) nikoli ni štel za zaprt. To ni presenetljivo. Registracija takšnih polj bi vodila k nastanku novih načinov pojasnjevanja magnetizma galaktičnih lestvic. Dejstvo je, da je celo zelo šibko (približno 10-30 Gs) v glavnem lahko igra vlogo mikrobov galaktičnega magnetizma. Ideja je, da bi galaksije lahko zajemale in okrepile ta polja s konvekcijskim mehanizmom, podobnim geomagnetnim dinamom, ki podpirajo magnetno polje našega planeta. Poleg tega bi bilo treba pojasniti izvor medgalaktičnih polj in to je zelo zanimiva naloga (glej na primer pregledni članek Lawrence M. Widrow. Izvor galaktičnih in ekstragaalaktičnih magnetnih polj // Rev. Mod. Fiz. 2002. V. 74. str. 775-823).

Teoretiki radi pričakujejo opazovanja in eksperimente, zato so uspeli priti do številnih elegantnih modelov, ki opisujejo nastanek medgalaktičnih magnetnih polj. Torej, pred devetimi leti je eden od svetovnih oblasti na tem področju, Stirling Colgate, skupaj z dvema soavtorjema objavil papir, ki je zagovarjal hipotezo,v skladu s katerim se ta polja lahko vržejo v globok prostor iz akretijskih diskov okoli črnih lukenj (Pirma, Hui Li, Vladimir Pariev. Fizika plazme. 2001. V. 8. Izdaja 5. str. 2425-2431). Po drugi strani pa obstajajo modeli, ki temeljijo na predpostavki, da so medgalaktična polja nastala na zori našega vesolja, torej so relikvije ene ali druge epohe, ki je sledila Big Bangu. Te ideje osvobajajo oblasti velikega Enrica Fermija, ki je leta 1949 prvič prišel do take hipoteze.

Teorije iz te družine ponavadi imenujemo kozmološki modeli magnetogeneze. Ti procesi segajo v različne faze zgodnjega razvoja Univerzuma: obdobje inflacije (10-36-10-34 sec), epoha zaustavitve rojstva W in Z bozonov ter avtonomizacije šibkih in elektromagnetnih interakcij (končalo se je, ko je starost Univerzuma dosegla 10-12 sec), ki je pripeljala do nastanka atronov iz kvark-gluonske plazme (10-12-10-6 sec) in fotonsko obdobje, ki se je končalo 380 000 let po Velikem prahu, ko so bili prosti elektroni popolnoma združeni z ionov, v vesolju pa so se pojavili nevtralni atomi namesto plazme. Stopnja veljavnosti teh modelov je drugačna, vendar je njihova razprava izven področja uporabe te opombe.

Kako so odkrili medgalaktična magnetna polja?

Preden se obrnete na članek Ando in Kusenka, je treba spomniti na nedavno delo osebja Ženevskega opazovalnega urada Andreja Neronovega in Yevgenya Vovka: Andrija Neronovega, Ievgena Vovka. Dokazi za močna ekstragaalaktična magnetna polja iz Fermijevih opazovanj TeV Blazarjev // Znanost. V. 328. str. 73-75 (2. april 2010). Njegovi avtorji so ugotovili, da obstajajo relikvna ekstra galaktična polja in ne sme biti manjša od 3 × 10-16 Gs. Nero in Vovk sta temeljila na svojih zaključkih o posrednih argumentih (omogoča pojasnitev, zakaj instrumenti vesoljskega teleskopa Gamma-ray niso zaznali več vrst glasovnih žarkov v spektru več blazarjev), vendar se ne pretvarjajo, da so resnično ekstragalaktični magnetizem. Vendar pa se njihova ocena njegove moči dobro ujema z rezultati Ando in Kusenko.

Kaj sta storila Ando in Kusenko? Avtorji so uporabili metodo iskanja intergalaktičnih magnetnih polj, ki temeljijo na idejah, predlaganih že sredi zadnjega desetletja (glej FA Aharonian) PS Coppi, HJ Voelk. Zelo visoka energijska gama-zraka iz AGN: kaskading na ozadju Cosmosa par halos // Astrofizični dnevnik, 423 (1994), L5-L8 in R. Plaga. Odkrivanje medgalaktičnih magnetnih polj z uporabo gama žarkov // Narava. V. 374. – P. 430-432. 30. marca 1995). Bistvo tehnike je, kot sledi. V vesolju obstaja veliko virov gama kvantov z energijo reda teraelectronvolt (1012 eV).Te kvante lahko razpršimo na drugih fotonov, ki vedno potujejo med galaksijami, ki skupaj tvorijo razpršeno elektromagnetno polje, znano kot Extragalactic Background Light (EBL). V času takega razprševanja nastanejo elektroni-pozitronski pari, ki se nato srečujejo z ozadjem fotonov in povečujejo svojo energijo. Ta kaskadni proces vodi le k rojstvu sekundarnih gama-kvantov nižjih energij.

Aktivna galaktična jedra so tudi viri gama-kvantov tera-območja. Obstajajo lokalizirane supermasivne črne luknje, ki povzročajo takšne fotone v svojih akretijskih diskih. Te jedre je mogoče videti s pomočjo gama teleskopov. Proizvodnja sekundarnih gama fotonov vodi v dejstvo, da so takšne slike nekoliko zamegljene, se zdijo halosi – ali, v profesionalnem jeziku, halo. Struktura teh halov odraža naravo nastanka sekundarnih gama žarkov, kar pa je odvisno od prostorske porazdelitve elektronov in pozitronov, ki jih proizvajajo primarni gama žarki. Če v medgalaktičnem prostoru obstajajo magnetna polja, vplivajo na to porazdelitev, saj se ti in drugi delci v spiralnih potezah vrtijo okoli magnetnih linij sile.Posledično lahko ta polja načeloma odkrijemo z analizo gama slik aktivnih jeder oddaljenih galaksij. Njihova prisotnost se kaže tudi v posebnem zamiku sekundarnih gama kvantov, ki jih je mogoče registrirati tudi s pomočjo vesoljskih gama teleskopov.

Prav to sta storila Ando in Kusenko. Ker eno samo aktivno galaktično jedro pošilja premalo fotonov na Zemljo, jih je združilo v 170 takšnih jeder, ki jih je zbral teleskop Fermijevih gama-žarkov. Za povečanje zanesljivosti rezultatov so opravili meritve v treh obsegih gama-obsevanja, ki pokrivajo energijo 1-3 GeV, 3-10 GeV in 10-100 GeV.

In to se je zgodilo. Odstopanja od pričakovane porazdelitve sevanja gama iz točkovnih virov (tj. Brez haloja) so bila ugotovljena pri stopnji zaupanja 99,95%. Zato Ando in Kusenko verjamejo, da je analiza, izvedena na združenih slikah aktivnih galaktičnih jeder, dejansko pokazala fizični učinek, ki ga povzroča prisotnost medgalaktičnih magnetnih polj. Ocenjujejo njihovo vrednost na približno 10-15 Gs. Preprosto je videti, da se ta rezultat dobro ujema z nižjo indukcijsko mejo takih polj, ki sta ga izračunali Neronov in Vovkom.

Alexander Kusenko je v telefonskem pogovoru delil nekaj podrobnosti, ki niso bile vključene v članek. Povedal je, da medgalaktična magnetna polja po predhodnih podatkih opazno spreminjajo svojo smer tudi v precej majhnih – naravno, na kozmološki ravni – razdalje (če uporabljajo tehnično terminologijo, imajo majhno dolžino skladnosti). Če bo ta rezultat potrjen, bo mogoče povsem prepričljivo povedati, da se ukvarjamo s področji relikvije. Potem bo mogoče izbrati med različnimi modeli relikvije magnetogeneze, saj so zelo različna napovedi o trenutni velikosti medgalaktičnega magnetizma.

Vir: Shin'ichiro Ando, ​​Alexander Kusenko. Galaktična nuklearna dokazljivost za gama-žarek in prvo merjenje medgalaktičnih magnetnih polj // arXiv: 1005.1924v2 [astro-ph.HE] 2. september 2010.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: