URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Бочкарев Н.Г. Магнитные поля в космосе
Id: 113016
 
296 руб.

Магнитные поля в космосе. Изд.2, доп.

URSS. 2011. 216 с. Мягкая обложка. ISBN 978-5-397-01519-6.

 Аннотация

В настоящей книге описываются магнитные поля и их проявления во всех основных типах космических объектов, начиная с планеты Земля и кончая такими удаленными объектами, как радиогалактики и квазары; рассказывается о происхождении, эволюции и методах изучения магнитных полей. Магнетизм --- универсальное свойство материи --- в Космосе играет особенно важную роль. Без знания строения магнитных полей нельзя понять происходящие в Космосе процессы. Магнитные поля белых карликов и нейтронных звезд очень сильны и искажают атомную структуру вещества, а в межзвездной среде они очень слабы, но важны для образования звезд. Магнитные поля определяют все проявления солнечной активности и многие процессы солнечно-земных связей. В начале книги в качестве введения рассказывается о поведении заряженных частиц и плазмы, состоящей из них, в магнитном поле. По ходу изложения объясняются некоторые астрономические термины, встречающиеся в работе.

Книга предназначена для студентов и преподавателей физических факультетов вузов, а также всех, кто интересуется современной астрофизикой.


 Оглавление

Предисловие ко второму изданию
Предисловие
Глава 1. Заряженные частицы и плазма в магнитном поле
 § 1.1.Движение заряженных частиц в магнитном поле
 § 1.2.Магнитотормозное излучение
 § 1.3.Плазма в магнитном поле
 § 1.4.Динамо-процессы
Глава 2. Магнитное поле Земли и планет
 § 2.1.Магнитное поле Земли
 § 2.2.Изменения магнитного поля Земли в прошлом
 § 2.3.Магнитосфера Земли
 § 2.4.Магнитные поля Луны и планет
Глава 3. Магнитное поле Солнца и солнечная активность
 § 3.1.Крупномасштабное магнитное поле Солнца и его изменения
 § 3.2.Магнитная структура атмосферы Солпц
 § 3.3.Солнечные вспышки
Глава 4. Межпланетная среда и ее влияние на магнитосферу Земли
 § 4.1.Солнечный ветер и межпланетная сред
 § 4.2.Межпланетные возмущения и геомагнитные бури
 § 4.3."Земное эхо солнечных бурь"
Глава 5. Магнитные поля звезд
 § 5.1.Мир звезд
 § 5.2.Магнетизм красных карликов и некоторых других "ординарных" звезд
 § 5.3.Магнитные звезды
 § 5.4.Магнитные поля белых карликов и взрывающихся звезд
 § 5.5.Магнитные нейтронные звезды - пульсары
 § 5.6.Двойные рентгеновские источники
Глава 6. Магнитные поля в Галактике
 § 6.1.Крупномасштабное магнитное поле Галактики
 § 6.2.Об ускорении космических лучей межзвездными магнитными полями
 § 6.3.Роль магнитных полей в формировании структуры межзвездной среды
 § 6.4.Магнитные поля и образование звезд
Глава 7. Магнитные поля в дальних уголках Вселенной
 § 7.1.Магнитные поля галактик. Активность галактических ядер
 § 7.2.Радиогалактики и квазары
 § 7.3.О регулярном магнитном поле Вселенной
Заключение
Список литературы

 Предисловие ко второму изданию

Прошло 25 лет с выхода первого издания книги. За это время были открыты новые типы астрономических объектов, накоплено огромное количество новой информации. Это в полной мере относится и к сведениям о магнитных полях в Космосе. Вместе с тем, книга не устарела. Все, что в ней изложено, выдержало испытание временем. Четверть века назад многое из того, что вошло в книгу, было лишь заподозрено или только что открыто; значительная часть описания была основана на теоретических работах и гипотезах. Немалую часть из них составляли исследования советских авторов, еще не получившие ко времени первого издания книги мирового признания (в частности, работы академика Я.Б.Зельдовича и его учеников, см. [1]). Теперь это признание пришло и все представленные в книге сведения стали общепринятыми. Это приятное для автора и в тоже время удивительное обстоятельство выяснилось на симпозиуме N259 Международного астрономического союза "Космические магнитные поля: от планет до звезд и галактик" [2] состоявшемся в ноябре 2008 года.

Ниже мы "пробежимся" по всем главам книги для того, чтобы указать темы, в которых достигнут наибольший прогресс, и дать ссылки на современные обзоры, монографии, а также на популярные статьи и книги, а иногда и на оригинальные статьи.

В первую очередь следует упомянуть другие публикации (помимо [1, 2]), охватывающие большинство затронутых в книге тем. Начнем с маленькой энциклопедии "Физика Космоса" [3]. Это замечательное, хотя не очень новое издание содержит популярное, но в тоже время, строгое описание всех основных типов астрономических объектов, включая краткие характеристики обнаруженных в них магнитных полей. Отошлем читателей также к учебному пособию [4], к обзорам точно по теме этой книги [5, 6], опубликованным в электронном научном журнале на английском языке, и к большой популярной статье автора в энциклопедическом издании [7].

Изложению теоретических исследований генерации, усиления, эволюции и диссипации космических магнитных полей посвящены монографии [1, 8--12].

Хотя к моменту выхода первого издания этой книги магнитное поле Земли было изучено подобнее, чем поле любого другого космического тела, исследования различных его проявлений развиваются очень динамично. Изложению результатов этих исследований посвящена обширная литература. Поведение заряженных частиц в магнитосфере Земли подробно описано в книге [13], а в популярном изложении, например, в [14]. Принятые в настоящее время параметры магнитосферы Земли (см. [15]) практически не отличаются от приведенных в книге.

Значительно детализирована и прослежена в прошлое история медленных геомагнитных вариаций внутриземного происхождения [16]. Она опирается на обширные археомагнитые (основанные на намагниченности древних керамических изделий) и палеомагнитные (по остаточной намагниченности пород) исследования. Предприняты попытки проследить влияние палеомагнитных изменений на палеоклимат и выяснить происхождение так называемого восточного дрейфа магнитного поля Земли [16].

Благодаря работе космических аппаратов значительно обогатились наши знания о магнитных полях планет Солнечной Системы и отчасти их спутников. Открыты магнитосферы Урана и Нептуна, изучено магнитное поле Меркурия, найдены слабые магнитные поля некоторых спутников Юпитера и Сатурна, наведенные при их движении в магнитосфере планеты. Обзор современных данных о магнитосферах планет Солнечной системы можно найти в [15], а в популярной форме -- в [17].

Огромное внимание по прежнему уделяется изучению магнитного поля Солнца. Оно вызвано как практическими целями предсказания "космической погоды", так и тем, что Солнце -- ближайшая к нам звезда, и многие явления, детально изученные на Солнце, можно приложить к изучению магнетизма других звезд. Ограничимся здесь указанием только на книги [18, 19] и упомянутые выше монографии [8--10].

Нарастающими темпами продолжают изучаться магнитные бури -- земные отголоски солнечной активности, и более слабые быстрые вариации магнитного поля Земли, возникающие при возмущениях ее магнитосферы магнитными полями, наведенными электрическими токами в ионосфере. Эти исследования стимулированы практическими потребностями -- необходимостью понять механизмы влияния факторов "космической погоды" на функционирование космических аппаратов, здоровье людей, техногенные катастрофы и социальные явления. Результаты можно найти, например, в книгах [20--23].

Потоки ионизованной плазмы, истекающие из солнечной короны (солнечный ветер), увлекают за собой силовые линии магнитного поля Солнца, создавая межпланетную среду. По мере удаления от Солнца она становится все более разреженной и на периферии планетной системы образует гелиопаузу -- область взаимодействия межпланетной и межзвездной сред, каждая из которых имеет свое магнитное поле. С дистанционными методами зондирования межпланетной среды можно подробнее познакомиться в книге [24], а в более доступном изложении, например, в [14]. Общее описание строения гелиопаузы дано в книге автора [25].

Огромное количество разнообразных исследований посвящено магнитным полям звезд и их проявлениям, в том числе многих звезд со сравнительно слабыми магнитными полями (см., например, [2]). Это стало возможным в первую очередь благодаря новому поколению приборов, установленных на самых крупных в мире оптических телескопах, таких как, российский телескоп БТА с зеркалом диаметром 6 метров [26], а также на ряде телескопов с диаметрами "входного зрачка" около 4 м, 8 м и 10 м [2].

Эти исследования в целом подтвердили и расширили наши представления о роли магнитных полей в жизни звезд и вызванных ими проявлениях звездной активности. В книге Р.Е.Гершберга [27] представлена широкая панорама сведений о магнетизме красных карликов -- звезд, похожих на Солнце, но обладающих различными массами (от 0,1--0,2 до 1 массы Солнца), возрастами, а также уровнями активности, зачастую превосходящими активность Солнца в десятки и сотни раз. Для самых молодых из них несколько лет назад удалось обнаружить и измерить магнитное поле газопылевых дисков, из которых они образовались [28]. В последние годы удалось измерить магнитные поля и более горячих "ординарных" звезд спектральных классов В и О.В целом они оказались невелики: 100--300 Гс (0,01--0,03 Тл) [2, 29].

Для магнитных звезд спектрального класса А удалось построить детальные карты распределения полей по поверхности звезд. Подтвержден пятнистый характер поля и расположения ряда тяжелых элементов на их поверхности [30]. Найдены слабые пульсации магнитного поля с характерным временем минуты и десятки минут [2].

Подтверждено влияние магнитного поля на пространственное распределение вещества, сбрасываемого звездой в конце своей активной жизни [31] при превращении ее в компактный плотный постепенно остывающий звездный остаток -- белый карлик. Сброшенный звездой газ создает разнообразные по форме чарующие глаз ажурные светящиеся туманности (см., например, [7, 31]), называемые планетарными.

Подтверждены и детализированы сведения об очень сильных магнитных полях нейтронных звезд (см., например, [32]). Большинство измерений по-прежнему указывает, что поля вблизи их поверхности покрывают диапазон от 10^9 до 1013 Гс (10^5--10^9 Тл). В связи с этим к настоящему времени подробно рассчитано влияние таких сверхсильных магнитных полей на структуру атомов, поглощение и излучение ими квантов света -- фотонов. Результаты можно найти в базе атомных данных [33].

В последние годы был обнаружен новый тип нейтронных звезд с необычно сильными магнитными полями -- 1014--1015 Гс (1010--1011 Тл) [34]. Такие объекты получили название "магнитары". Пока известно около 10 магнитаров.

Только сейчас получает прямое наблюдательное подтверждение [29] модель магнитной дисковой аккреции вещества на черные дыры (см. параграф 5.6 данной книги, рис.41 г), предложенная более 35 лет назад учеником Я.Б.Зельдовича В.Ф.Шварцманом. Спустя около 15 лет ее независимо выдвинули западные ученые, после чего она стала "стандартным" объяснением флуктуаций рентгеновского излучения, возникающих при аккреции вещества на черные дыры, как звездной массы, так и на "сверхмассивные" (106--109 масс Солнца) -- в квазарах, радиогалактиках и других активных ядрах галактик. В [29] описаны результаты прямых измерений магнитного поля (по эффекту Зеемана, см. [26]) в расположенной в созвездии Лебедя двойной звездной системе Cygnus X--1, одним из компонентов которой является открытый первым и самый изученный кандидат в черные дыры. Оказалось, что магнитное поле заведомо присутствует как в одном компоненте -- горячей О-звезде, выступающей в этой системе донором вещества, так, по-видимому, и во втором компоненте -- во внешних частях аккреционной структуры вокруг черной дыры.

Сравнительно недавно удалось, наконец, рассчитать надежные численные 2D-модели магниторотационных взрывов звезд на заключительной стадии их эволюции [35]. Эти расчеты выполнены с применением достаточно густой расчетной сетки, не позволяющей пропустить мелкие, но важные детали возникающих в процессе взрыва структур, и учитывают все основные физические процессы. Они убедительно показали справедливость предположения о большой роли магнитного поля в явлении взрыва сверхновой. Эта гипотеза была выдвинут учеником Я.Б.Зельдовича Г.С.Бисноватым-Коганом еще в 1970 г. и затем подробно проработана им (см. [36]). Расчеты подтвердили не только правильность самой гипотезы, но и высокую точность сделанных ее автором оценочных вычислений, результаты которых вошли 25 лет назад в данную книгу. Теперь стало возможно уточнить численные характеристики: в момент взрыва магнитное поле внутри звезды может в течение около 10 секунд превышать 1016 Гс (1012 Тл) и на сотые доли секунды достигать 1017 Гс (1013 Тл).

Это, вероятно, самые сильные магнитные поля, которые могут реализоваться в известных нам объектах. Дело в том, что, как отмечено в параграфе 5.6 данной книги, давление магнитного поля 1018 Гс (1014 Тл) способно разорвать даже столь плотный и устойчивый объект, как нейтронная звезда. Тем не менее, в астрофизической литературе время от времени можно встретить обсуждение свойств материи при еще больших магнитных полях -- примерно до 1020 Гс (1016 Тл). Примерами могут служить работа [37] списка литературы в конце предисловия, а же статья [55] из списка, приведенного в конце книги.

Важно отметить, что магниторотационная модель явления сверхновых предсказывает, что вдоль оси вращения умирающей звезды образуются узкие струи (так называемые джеты), вдоль которых горячая плазма и магнитное поле вылетают со скоростями близкими к скорости света. В остальных направлениях вещество разлетается со скоростями в 10--30 раз меньше. Такой характер движения и ряд других обстоятельств показывают, что подобные процессы могут пролить свет на природу загадочных гамма-всплесков. Речь идет о длящихся всего около 1--100 секунд вспышках гамма-излучения с энергией фотонов около 1 МэВ и столь ярких, что их сравнительно легко удается наблюдать даже с расстояния около 10 миллиардов световых лет (см., например, [3, 4, 7]).

Перейдем теперь к более крупным объектам, обладающим магнитными полями -- нашей и другим галактикам. О магнитных полях галактик, подобных нашей, за 25 лет, прошедших после выхода первого издания книги, накоплено большое количество новых данных (см. монографии [12, 25] и популярные издания [14, 38, 7]). Качественно новых результатов, однако, нет [1, 2] за одним исключением: в 2008 г. получены прямые наблюдательные свидетельства того, что гигантские звездно-газовые комплексы в спиральных рукавах галактик образуются благодаря магнито-гравитационной неустойчивости (так называемой неустойчивости Рэлея--Тейлора--Паркера), возникающей при наличии в галактическом диске регулярного магнитного поля. Как указано в книге, теорию этого процесса развил С.Б.Пикельнер в 1970 г. Методы измерения магнитного поля Галактики компактно описаны в обзоре [39]. Увереннее стали сведения о роли магнитного поля в устройстве и работе космических мазеров [40, 41].

Полученные новые данные о радиогалактиках [42] в целом не изменили порядковые оценки магнитного поля в так называемых "радиоушах" радиогалактик -- тех областях, где движение вещества джетов из-за торможения о межгалактический газ теряет направленность и становится хаотическим, зато некоторый прогресс произошел в понимании процессов формирования джетов. Была создана и частично проработана так называемая универсальная схема "центральной машины", действующей в каждом активном галактическом ядре (см., например, [43]). В универсальной схеме важная роль отводится магнитному полю, которого следует ожидать, по меньшей мере, вблизи сверхмассивной черной дыры. Описание того, как из наблюдений удается определить размеры и строение "центральной машины" можно найти в популярной статье [44].

Значительно обогатились наши знания о магнитных полях в дальних уголках Вселенной. Оказалось, что магнитные поля существовали и, по-видимому, играли важную роль в формировании структуры Вселенной на сравнительно ранних этапах ее эволюции, по крайней мере, при красных смещениях z = 5 (то есть, более 10 миллиардов лет назад), а, возможно, и при z = 10--20, когда Вселенная была на порядок моложе, чем сейчас. Однако это не обсуждаемое в книге регулярное магнитное поле, заполняющее гигантские пространства, а магнитные поля первых компактных объектов, рождавшихся во Вселенной -- вероятно, первых звезд и/или первых квазаров.

По-прежнему дискуссионным остается вопрос о магнитных монополях [45]. Со времени выдвижения Дираком гипотезы об их существовании были найдены очень жесткие нижние пределы допустимых значений их массы. В одних моделях элементарных частиц эти ограничения вообще ставят под сомнение возможность существования изолированных магнитных монополей после завершения процесса космологической инфляции, другие (например, модели, предполагающие существование космологических струн), допускают возможность обнаружения изолированных магнитных монополей.

Итак, проявления магнитного поля крайне разнообразны, а сами магнитные поля практически вездесущи. Диапазон напряженностей магнитного поля покрывает около 30 порядков величины. Присутствие магнитных полей сильно усложняет структуру и динамику космических объектов. Поэтому в целом сохраняется "правило", сформулированное Б.Уорнером: "Чем сложнее астрономическая проблема, тем более интенсивное магнитное поле необходимо принять для ее решения" (см. [46]). Но в последнее время возможности проникновения в суть непонятных астрономических явлений определяются не столько напряженностью, сколько сложностью конфигурации магнитных полей и динамике процессов, приводящих к их быстрой перестройке, прежде всего, вызванных явлением перезамыкания (аннигиляции) магнитных силовых линий. Не зря именно этой теме посвящено большинство теоретических исследований, упомянутых в начале этого предисловия [8--10].

Все перечисленные достижения последней четверти века лишь подтверждают, детализируют и уточняют картину, представленную в книге, но не изменяют ее. Поэтому книга и сейчас дает полное представление обо всех основных проявлениях магнетизма космических объектов. Те читатели, которые захотят получить более обстоятельную информацию о магнитных полях каких-либо астрономических объектов, могут воспользоваться приведенными здесь и в конце книги списками литературы.

Н.Г.Бочкарев
2 июля 2010 года

 Предисловие

Магнетизм является универсальным свойством материи. Причина тому -- наличие магнитных моментов у электронов, протонов и нейтронов -- кирпичиков мироздания, из которых состоят атомы и молекулы, а значит, и все тела. В результате магнитными свойствами обладают все окружающие нас предметы. Наиболее ярко они проявляются в сильномагнитных веществах (магнитоупорядоченных -- ферромагнитных, антиферромагнитных, ферримагнитных), но обладают ими и слабомагнитные вещества, хотя последние часто довольно слабо реагируют на магнитные поля.

Если мы обратимся к просторам Космоса, то увидим, что окружающий нас мир состоит, в основном, из частично или полностью ионизованной плазмы, пронизанной магнитными полями. Неплазменными являются только межзвездные пылинки и их конгломераты (например, ядра комет), а также более крупные тела: планеты, нейтронные звезды и т.д.

Плазма не относится к сильномагнитным веществам, но заряженные частицы космической плазмы, а через них и вся плазма, очень тесно связаны с магнитными полями, Во многих случаях влияние магнитных полей на процессы, протекающие в космической плазме, является определяющим. В других случаях, напротив, движения вещества формируют магнитные свойства космической среды.

Неплазменные тела занимают исчезающе малую часть объема Вселенной и содержат лишь небольшую (<1%) долю массы вещества. Они, как правило, обладают собственными магнитными полями, приводящими к разнообразным эффектам, проявляющимся при наблюдении этих тел.

Таким образом, магнетизм в Космосе играет не меньшую, а, по-видимому, большую роль, чем магнетизм в привычном нам мире макротел. И возникает космический магнетизм под действием факторов, отличных от земных магнитов. На Земле наиболее сильные проявления магнетизма обычно определяются ориентацией магнитных моментов атомов и элементарных частиц, составляющих сильные магниты. В Космосе какой-либо заметной магнитной упорядоченности не встречается, и магнитные поля порождаются токами, текущими в космической плазме. Но и здесь картина резко отличается от привычной для землян. Из-за огромных размеров космических объектов магнитное поле, возникнув однажды, способно существовать без поддерживающих сил очень долго -- иногда многие миллиарды лет. Для их поддержания достаточно совершенно ничтожных, незаметных токов. В результате для космической плазмы обычна ситуация, когда крупномасштабные электрические поля исчезающе слабы, а магнитные -- сильны.

После запуска первого искусственного спутника Земли в 1957 г. появилась возможность непосредственного детального изучения околоземного космического пространства, а также и межпланетного пространства. Образовалось новое научное направление -- физика Космоса, или космофизика. В этой области знаний, появившейся на стыке астрономии, геофизики и физики, за последнюю четверть века накоплено огромное количество информации. В результате магнитные поля "ближнего Космоса" и их проявления изучены несравненно более подробно, чем в более далеких объектах. Но и о самых удаленных космических телах современными методами удается получить много важной, интересной и часто неожиданной информации.

В этой книге описаны магнитные поля и их проявления во всех основных типах космических объектов, начиная с планеты Земля и кончая такими удаленными объектами" как радиогалактики и квазары.

В качестве введения в первой главе рассказано о поведении заряженных частиц и плазмы, состоящей из них, в магнитном поле.

Встречающиеся в этой книге астрономические термины вкратце объясняются по ходу изложения. Если у читателей возникнет потребность ознакомиться с ними подробнее, можно посоветовать обращаться к маленькой энциклопедии "Физика космоса" [1] или учебникам [2--3]. В данной книге не будет описан магнетизм элементарных частиц и макротел. Этой теме посвящено много популярных книг. Отошлем читателя, например, к книге [4] (номера в квадратных скобках означают порядковые номера источников в списке литературы, помещенном в конце книги).

Для характеристики намагничивания веществ, как известно, вводятся величины: В -- магнитная индукция, Н -- напряженность магнитного поля, Ф -- магнитный поток, mu -- магнитная проницаемость и др.

До недавнего времени в СССР в научной и учебной литературе использовалась преимущественно гауссова система единиц. В настоящей книге в качестве основной принята международная система единиц -- СИ. Однако, как мы увидим ниже, для описания магнитных свойств космических тел гораздо удобнее гауссова система, которую применяют все специалисты соответствующего профиля, В книге написание формул и числовых значений в гауссовой системе дано в скобках.

Единицей магнитной индукции В в СИ является тесла (Тл), в гауссовой -- гаусс (Гс). При этом

1 Тл = 104 Гс.

Единицей напряженности магнитного поля Н в СИ является ампер на метр (А/м), в гауссовой системе -- эрстед (Э). При этом

1 А/м = 4pi x 10-3 Э = 1,26 x 10-2 Э.

Единицей магнитного потока Ф в СИ является вебер (Вб), в гауссовой системе -- максвелл (Мкс). При этом

1 Вб = 1 Тл x м2 = 108 Мкс.

Магнитная проницаемость mu в обоих случаях безразмерна.

В международной системе единицы В и Н различны по размерности: В = mu x mu0 x H, где mu0 = 1,26 x 10-6 Гн/м -- магнитная постоянная. В то же время в гауссовой системе единиц (В = mu x Н) размерность В и Н одинакова. Последнее обстоятельство представляет неоспоримое преимущество при изучении слабомагнитных сред, в том числе космической плазмы, где ввиду близости mu к единице B и Н описывают, по существу, одну и ту же физическую величину, В этом случае в гауссовой системе они имеют одинаковые числовые значения и их можно не различать, в то время как в СИ они отличаются в mu0 раз.

Автор выражает благодарность К.П.Белову, Р.Е.Гершбергу, А.А.Рузмайкину и в особенности М.А.Лившицу за ценные замечания по рукописи, а также сотрудникам фотолаборатории ГАИШ и в первую очередь М.С.Тороповой за помощь в подготовке рукописи.

Н.Г.Бочкарев

 Об авторе

Николай Геннадиевич БОЧКАРЕВ

Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им.П.К.Штернберга Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова. Специалист в области физики межзвездной среды, изучения активных ядер галактик и кандидатов в черные дыры. Автор ряда монографий и учебников по астрофизике.

 
© URSS 2016.

Информация о Продавце