Л.М. Топтунова

Магнитные поля  – конструкторы  Вселенной

Астрономы периодически сообщают о странной ориентации галактик. Например, ближайшие сейфертовские галактики имеют неслучайную ориентацию: большинство из них развернуты к нам плашмя (http://www.astronet.ru/db/msg/1188656). Но в астрономии нет выделенных направлений, а Земля не является центром мироздания. Потому такая ориентация сейфертовских галактик требует специального объяснения. Другой пример: 11апеля 2016 г. от Королевского астрономического общества  поступило сообщение, что при наблюдении за 64 радиогалактиками, расположенными в одной и той же большой удаленной области Вселенной, у нескольких галактик была обнаружена одинаковая ориентация джетов. На рис.1 слева эти галактики отмечены кружками

Galaxies Alignments Images small
Рис. 1

Джет – это узконаправленные пучки энергии, выбрасываемые из полюсов галактики (рис.2). Вероятность случайного совпадения ориентации джетов галактик, расположенных в сотнях миллионов световых лет друг от друга,  ничтожно мала. Этому наблюдению также нужно дать какое-то объяснение.

Рис. 2

 

К настоящему моменту предложены следующие объяснения одинаковой ориентации джетов:

1. Одинаковая ориентация галактик образовалась в процессе формирования галактик в ранней Вселенной.

Замечание. В современной официальной космологии все непонятные явления, как правило, относят ко времени непосредственно следующему за Большим взрывом. Считается, что формирование галактик происходило в течение первого миллиарда лет после Большого Взрыва. Но, во-первых, теория Большого взрыва не даёт объяснения, как из возмущений в ранней Вселенной возникла современная крупномасштабная ее структура. А, во-вторых, в конце  2004 года на сравнительно небольшом расстоянии от нашей Галактики было обнаружено более 30 очень крупных галактик на стадии зарождения (http://forums.airbase.ru/2004/12/t30587--samaya-molodaya-galaktika.7731.html). Это значит, что рождение новых галактик происходит непрерывно в продолжение всей жизни Вселенной, а не только в первый миллиард лет после Большого Взрыва. Поэтому обсуждать объяснение одинаковой ориентации джетов зарождением галактик в начальный период развития Вселенной мы не будем.

2. Одинаковая ориентация галактик объясняется космическими магнитными полями, связанными с экзотическими частицами (аксионами), или космическими струнами.

Замечание. Аксионы и космические струны относятся к гипотетическим объектам. Поэтому такое объяснение одинаковой ориентации галактик мы также рассматривать не будем.

3. Расс Тейлор, ведущий специалист обсуждаемого наблюдения за радиогалактиками, подозревает, что все эти джеты выстроились вдоль нитей космической паутины.

Замечание. Похоже, что в данном вопросе научная интуиция Расса Тейлора не подвела. Но, к сожалению, кроме подозрения о какой-то связи космической паутины с ориентацией джетов никаких соображений о природе этого явления не высказано.

В настоящее время уже есть возможность объяснить феномен загадочной единообразной ориентации группы галактик. Но для этого нам придётся сделать отступление на 20 лет назад.

К концу прошлого столетия была разработана теория  существования силы, действующей на облако космической плазмы, движущееся в слабом магнитном поле, и получены первые её экспериментальные доказательства. Согласно этой теории, при напряжённости магнитного поля Н<10-12 Гс в облаке плазмы, движущемся  в слабом магнитном поле, возникает сила, перпендикулярная скорости облака. Указанная сила имеет определенное сходство с силой Лоренца. Обе силы порождаются магнитным полем. Под действием как той, так и другой силы частица движется по окружности, радиус которой пропорционален скорости движения частицы. Поэтому найденная сила была названа квазилоренцевой. Однако сходство лоренцевой и квазилоренцевой сил является чисто формальным. Основное различие данных сил заключается в том, что сила Лоренца действует лишь на заряженные частицы, безразлично, находящиеся в газе или изолированные. Квазилоренцева сила действует одинаково на все частицы плазмы, как заряженные, так и нейтральные. Эта сила возникает статистически лишь в больших ансамблях частиц в результате хаотических столкновений заряженных частиц с нейтральными. К отдельной изолированной частице понятие квазилоренцевой силы неприменимо.

Для экспериментального подтверждения разработанной теории было рассмотрено движение линзовидной галактики без собственного магнитного поля, во внешнем магнитном поле напряженностью 10-20—10-19 Гс, перпендикулярном плоскости галактики.  Масса галактики 1010 масс Солнца, радиус галактики 3∙103 парсек.  При расчётах скорость галактики варьировалась в пределах от нуля до 200 км/сек. При скорости движения галактики относительно магнитного поля около 20 км/с  образуется отходящая от галактики ветвь, меняющая несколько раз знак кривизны.  В местах изменения знака кривизны в ветви происходит концентрация материи, обусловленная замедлением движения частиц газа. Структура, подобная описанной, наблюдается у галактики MCG 6-25-77 (рис.3б, Воронцов-Вельяминов Б. А., Внегалактическая астрономия, М., 1978, стр. 152).

Рис. 3

При скорости движения галактики относительно внешнего магнитного поля 200 км/с и напряжённости магнитного поля Н=10-20 Гс у галактики формируются два спутника на перемычках. На рис.4б приведен снимок галактики VV 394 (Воронцов-Вельяминов Б. А., Внегалактическая астрономия, М., 1978, стр. 306], имеющей сходную структуру с рассчитанной (рис.4а).

Рис. 4

Галактические структуры, приведенные в книге Воронцова-Вельяминова до появления теории квазилоренцевой силы не имели объяснения. Поэтому объяснение данных структур можно считать предварительным экспериментальным подтверждением реального существования квазилоренцевой силы.

Теорию квазилоренцевой силы тогда, в конце 20-го столетия опубликовать не удалось. Обнародовать полученный результат стало возможным только в августе 2009 года на сайте «Астрогалактика» в цикле статей «Формы галактик» (http://www.astrogalaxy.ru/805.html). К тому времени были получены дополнительные экспериментальные подтверждения реальности квазилоренцевой силы. С помощью этой силы удалось объяснить возникновение экзотических форм галактик, приведенных на фотографиях рис.5 слева. Без привлечения понятия квазилоренцеврй силы формы этих галактик до настоящего времени объяснить не удалось.

Рис. 5

Итак, существование квазилоренцевой силы к настоящему моменту можно считать подтверждённым экспериментально. Теперь можно приступить к объяснению феномена загадочной единообразной ориентации групп галактик.

Помимо рассмотренного выше движения галактики как единого целого во внешнем магнитном поле есть ещё своеобразное движение космической плазмы при гравитационном сжатии плазменного облака. В этом случае скорость любого фрагмента облака направлена к центру облака. Так как квазилоренцева сила перпендикулярна скорости, у сжимающегося облака появляется крутящий момент (рис.6) и облако начинает вращаться. Ось вращения совпадает с направлением магнитного поля.

Рис. 6

Для того, чтобы несколько галактик получили одинаковую ориентацию в пространстве, необходимо, чтобы протогалактические облака на стадии гравитационного сжатия находились в регулярном магнитном поле, имеющем для всех будущих галактик одинаковое направление. Возникает вопрос — есть ли в космосе такие огромные регулярные магнитные поля? Ответ на этот вопрос дали исследования Х. Альфвена.

Ещё в 1939, исследуя структуру северных сияний, Альфвен обратил внимание на идентичность плазменных структур в плазме северного сияния и в плазме газового разряда в лабораторных условиях. В обоих случаях в плазме рождаются электрические токи в виде парных витых шнуров, что придаёт плазме волокнистый вид. В обоих случаях плазма имеет ячеистую структуру. В обоих случаях магнитное поле ведёт себя непредсказуемо: области регулярного поведения могут внезапно смениться областями, где магнитное поле изменяет направление почти на 180о.

Считая, что нет никаких причин полагать, что существование ячеек и волокнистости ограничено только теми областями пространства, куда уже про­никли космические корабли, Альфвен в 1963 г. впервые предсказал волокнистую и ячеистую структуру вселенной в больших масштабах. Подтверждение его правоты пришло почти через тридцать лет. В 1991 году телескоп Хаббла  получил снимки, подтверждающие волокнистую структуру космоса (рис.7). Структуры, сфотографированные телескопом Хаббл, получили название «космическая паутина».

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/ce/Local_galaxy_filaments_RUS_annotated.gif/300px-Local_galaxy_filaments_RUS_annotated.gif

Рис. 7

В космосе мы сталкиваемся с явлением, когда структуры на разных масштабах, отличающихся на много порядков,  создаются по законам самоподобия (по принципу космической матрёшки).

Со времён Х.Альфвена наблюдательные возможности астрономии колоссально выросли. У Алфвена были экспериментальные данные о структуре магнитных полей плазмы в лаболатории и околоземном пространстве. Сейчас же нам известна структура магнитного поля всей нашей Галактики, полученная с помощью телескопа «Планк» (рис.8).

Рис. 8

На рис.8 есть области с регулярным магнитным полем (область 2) и области, где магнитное поле разворачивается на 180о (область 1). Сейчас для нас представляют интерес области с регулярным магнитным полем. Учитывая масштабируемость структур космоса, можно утверждать, что во Вселенной есть сколь угодно большие области с регулярным магнитным полем, в которых могут формироваться галактики с одинаково направленными осями вращения. Этим можно объяснить и одинаковую ориентацию ближайших к нам сейфертовских галактик, и одинаковую  направленность джетов далёких радиогалактик.