Магнитное поле в межзвездных облаках отследили по движению газа

Астрофизики предложили и опробовали новый, относительно простой метод определения магнитных полей в межзвездных облаках газа. Идея способа заключается в анализе вихревых движений газа, что позволяет обнаружить пересоединения магнитных силовых линий. Авторы применили подход к нескольким молекулярным облакам. Полученные результаты оказались схожи с данными других методов для изученных ранее объектов, пишут ученые в журнале Nature Astronomy.

Магнитные поля играют важную роль во многих астрофизических процессах, таких как движение заряженных частиц, эволюция газовых облаков и динамическая неустойчивость дисков галактик. Они пронизывают как Млечный Путь, так и другие галактики. Однако такие крупномасштабные магнитные поля исключительно трудно наблюдать напрямую из-за их малой величины.

Галактические магнитные поля также могут мешать другим наблюдениям. В частности, связанное с магнетизмом поляризованное излучение пыли в диске Галактики намного интенсивнее фонового реликтового излучения. Стандартным подходом при анализе последнего является исключение значительной части неба из анализа, но пыль вносит шум в наблюдения в любом направлении, поэтому только детальный учет магнитного поля позволит проводить точные измерения поляризации реликтового излучения.

До сих пор вопрос о степени влияния магнетизма на процесс звездообразования остается без ответа. В течение многих лет параллельно развивались два подхода, один из которых отводил магнитным полям главенствующую роль на последних этапах сжатия молекулярных облаков, а второй подчеркивал важность динамических процессов, таких как сверхзвуковая турбулентность.

Существует несколько методов определения магнитных полей в межзвездной среде, но все они обладают недостатками, значительно ограничивающими их применимость. Стандартным методом является изучение поляризованного излучения несимметричных пылинок, но в некоторых случаях возможны более прямые исследования на основе расщепления линий (эффект Зеемана), возникновении линейной поляризации некоторых молекулярных линий (эффект Голдрайха — Килафиса) или вращении плоскости поляризации излучения фоновых источников (эффект Фарадея).

Высокоточные наблюдения последних лет, проведенные как из космоса (космический телескоп "Планк"), так и с поверхности Земли (массив телескопов ALMA, Телескоп Джеймса Максвелла) позволили в ряде случаев построить карты распределения магнитных полей в Млечном Пути на разных масштабах. В большинстве случаев оказалось, что ни вкладом магнетизма, ни турбулентностью пренебрегать нельзя, а полноценная теория должна комбинировать оба взгляда и включать гравитацию — только такой подход позволит разобраться во многих нерешенных проблемах, таких как начальная функция масс или исходные условия для формирования землеподобных планет.

В работе под руководством Юэ Ху (Yue Hu) из Висконсинского университета в Мадисоне предлагается новый способ определения магнитного поля в турбулентных областях, названных авторами методом градиента скорости. Его основным преимуществом является то, что для его реализации достаточно наблюдений в спектральных линиях без учета их поляризации, из которых можно вычислить скорости движения газа.

Метод основан на анизотропии турбулентности в присутствии магнитного поля, а именно в вытягивании вихрей турбулентного движения вдоль локального направления магнитных силовых линий. Быстрые пересоединения линий между такими вихрями приводят к преимущественному движению вещества поперек магнитного поля. Направление поля в таком случае будет перпендикулярно локальному градиенту скорости, который можно измерить по особенностям спектральных линий. Основным предположением для применимости этих рассуждений является главенствующая роль магнитогидродинамической турбулентности, что является обоснованным приближением для существенной части межзвездного пространства.

Для реальной проверки работоспособности метода авторы применили его к анализу пяти замагниченных и турбулентных облаков газа в поясе Гулда. Определенная новым методом морфология магнитного поля оказалась в соответствии с данными спутника Planck. Также согласовывались с предыдущими оценками данные по альвеновским числам Маха — параметру, характеризующему вклад магнитных полей в динамику области.

Также астрономы изучили гигантское облако Смит, которое падает на Млечный Путь и в данных момент находится на расстоянии 13,1 килопарсека от Земли. В направлении на этот объект доминирует поляризованное излучение пылинок в Галактике, что не позволяет использовать данный метод для оценки магнитных полей. Ранее ученые применяли в данном случае фарадеевское вращение, но так можно изучить только периферию облака, а не его плотные внутренние части. Результаты для облака Смит также согласуются с ранними оценками.

Недавно астрономы выяснили, что межгалактические электроны ускорены неизвестным механизмом, причем в этом процессе должно быть замешано магнитное поле на масштабе больше скоплений галактик. Ранее удачное наличие объекта на фоне позволило обнаружить магнитное поле у рекордно далекой галактики, свет от которой шел 4,6 миллиарда лет.

Тимур Кешелава