29. Нетепловое радиоизлучение Галактики

Как уже было сказано в главе III, некоторая часть радиоизлучения Галактики, интенсивность которого не зависит от длины волны, образуется в областях Н II при свободно-свободных переходах. Однако интенсивность основной части излучения растет с длиной волны, соответствуя на волнах длиной более 10 м температуре 100 000° и выше. Это излучение не может быть следствием тепловых движений частиц и потому называется нетепловым. Нетепловое радиоизлучение имеет почти сферическое распределение в пространстве. Как было выяснено из наблюдений нашей и других галактик, значительная часть нетеплового радиоизлучения образуется в сферической подсистеме, тянущейся, постепенно ослабевая, на десятки тысяч парсеков - гораздо дальше, чем сферическая подсистема звезд. Кроме того, нетепловое радиоизлучение усиливается в несколько десятков раз в слое толщиной 500 парсеков около плоскости Галактики и особенно в центральной области, диаметром 300 и толщиной 150 парсеков, где единица объема излучает еще раз в 100 больше энергии, чем в плоском слое.

Кроме общего нетеплового радиоизлучения, в Галактике имеется ряд сравнительно небольших источников с примерно тем же спектром. Они представляют собой туманности, образовавшиеся в результате вспышек так называемых сверхновых звезд - грандиозных явлений когда в течение нескольких месяцев одна звезда излучает почти столько же света, сколько вся Галактика в целом. Во время вспышки звезда сбрасывает оболочку, которая расширяется со скоростью около 1000 ^км/_сек, образуя своеобразную туманность. К источникам нетеплового радиоизлучения относятся также многие внегалактические туманности. Некоторые из них, например туманность Андромеды, являются обычными галактиками, и излучение их образуется в сферической подсистеме, размеры и радиояркость которой примерно таковы же, как и у нашей Галактики. Однако среди внегалактических источников много так называемых радиогалактик, излучение которых в тысячи, а иногда в миллионы раз превосходит излучение обычных галактик. Некоторые из них являются своеобразными объектами с особенностями в форме и спектре, другие включающие самые яркие, представляют собой, по-видимому, столкнувшиеся галактики. Интересно, что все эти, столь различные объекты имеют сходный радиоспектр - интенсивность его растет в сторону больших длин волн.

Какова природа нетеплового радиоизлучения? Как предположили X. Альвен и Н. Герлофсон (Швеция), источником его могут служить очень быстрые "релятивистские" электроны с энергией 10⁸ - 10⁹ электронвольт, движущиеся в межзвездном магнитном поле. Заряженная частица движется в магнитном поле по спирали, навивающейся на силовую линию, причем частота ее обращения пропорциональна напряженности поля. Электрон, движущийся по окружности, испытывает ускорение, направленное по радиусу. Из электродинамики известно, что ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны. На этом основано, в частности, излучение при свободно-свободных переходах, когда электрон движется с ускорением в поле иона. Аналогично, электрон в магнитном поле излучает волну с частотой, равной частоте обращения электрона. Для релятивистских частиц, скорости которых близки к скорости света, явление сложнее. Они излучают не одну частоту, а целый спектр, причем максимум этого спектра зависит от энергии электрона и напряженности поля.

Гипотеза о релятивистких электронах была развита В. Л. Гинзбургом, И. С. Шкловским, Г. Г. Гетманцевым (СССР) и другими в стройную систему взглядов, объясняющую интенсивность, спектр и другие основные свойства радиоизлучения. Указанный процесс является единственно приемлемым из известных современной физике нетепловых механизмов радиоизлучения, которые могут действовать в межзвездном пространстве. Существуют другие нетепловые процессы, но они могли бы порождать наблюдаемое излучение только в более плотных газах, например во внешних слоях атмосфер звезд. Нетепловое радиоизлучение Галактики говорит о наличии в межзвездном пространстве релятивистских электронов и магнитного поля. Принимая, что релятивистских электронов с энергией около 10⁹ электронвольт (эв) в Галактике столько же, сколько протонов космических лучей с той же энергией, В. Л. Гинзбург и Г. Г. Гетманцев подсчитали, что для объяснения наблюдаемой интенсивности радиоизлучения напряженность магнитного поля должна быть около 10^-5 эрстед. Тот факт, что источники космического радиоизлучения образуют сферическую подсистему, означает, что магнитные поля занимают сферический объем, а не сконцентрированы у плоскости Галактики, как большинство облаков межзвездного газа. Это подтверждает представление о сферической подсистеме разреженного газа с большой дисперсией скоростей.

Может возникнуть вопрос, почему в космических лучах, наблюдаемых на Земле, электроны отсутствуют. Те же ученые объяснили и этот факт. Электрон теряет энергию на радиоизлучение тем больше, чем больше его скорость. Следовательно, быстрые электроны вскоре теряют энергию и становятся медленными, а последние живут гораздо дольше. Поэтому в результате излучения число быстрых электронов становится относительно малым. В то же время на Земле могут наблюдаться только довольно быстрые частицы, а медленные отклоняются магнитным полем Земли и полем межпланетной среды и не попадают на Землю ¹. Таким образом, радиоэлектроны и протоны с такой же энергией не могут достигнуть Земли в противоположность более быстрым протонам и ядрам ².

¹ (Межпланетные поля образуются в основном движущимися от Солнца потоками частиц, которые, попадая на Землю, порождают полярные сияния и магнитные бури)

² (Недавно было доказано, что релятивистские электроны теряют в солнечной системе энергию, сталкиваясь с квантами света Солнца)

Итак, нетепловое радиоизлучение Галактики говорит о наличии в межзвездном пространстве поля с напряженностью около 10^-5 эрстед, занимающего почти сферический объем с радиусом в несколько десятков тысяч парсеков, что согласуется с данными, полученными из анализа условий удержания космических лучей. Это поле, по-видимому, усиливается в центре и в слое около плоскости Галактики. Прежде чем говорить о других доказательствах наличия магнитного поля, рассмотрим более подробно отдельные источники радиоизлучения.