Магнитное поле Млечного Пути в мельчайших деталях

Карта эффекта Фарадея вызванного магнитными полями Млечного Пути

Рис. 1. Карта эффекта Фарадея вызванного магнитными полями Млечного Пути (нажмите для увеличения). Красные и синие цвета показывают области неба, где магнитное поле ближе и дальше от наблюдателя, соответственно. Полоса Млечного Пути (плоскость галактического диска) простирается горизонтально. Центр Млечного Пути находится в середине изображения. Астрономический Северный полюс вверху слева, а Южный полюс внизу справа

Благодаря новой карте звездного неба ученые Института астрофизики общества Макса Планка (MPA) добились значительного прогресса в измерении структуры магнитного поля Млечного Пути. Новая карта не только раскрывает структуру галактического магнитного поля в больших масштабах, но и демонстрирует мельчайшие особенности, которые предоставляют информацию о турбулентности в галактическом газе.

Все галактики пронизаны магнитными полями, в том числе наша собственная галактика Млечный Путь. Несмотря на интенсивные исследования, происхождение галактических магнитных полей пока неизвестно. Однако некоторые ученые предполагают, что они строятся на основе динамо-процессов, в которых механическая энергия превращается в магнитную энергию. Аналогичные процессы происходят в недрах Земли, Солнца и — в широком смысле этого слова — в технических устройствах. Раскрывая структуру магнитного поля по всему Млечному Пути, новая карта предоставляет важную информацию о механизме галактического динамо.

Одним из способов измерения космических магнитных полей, которые известны вот уже более 150 лет, является использование так называемого эффекта Фарадея. Когда поляризованный свет проходит через намагниченную среду, наблюдается вращение плоскости поляризации света. Количество вращения зависит, среди прочего, от силы и направления магнитного поля. Таким образом, наблюдение такого вращения позволяет исследовать свойства промежуточных магнитных полей.

Для измерения магнитного поля нашей Галактики радиоастрономы наблюдают поляризованный свет от далеких радиоисточников, который на своем пути к Земле проходит через Млечный Путь. Количество вращения за счет эффекта Фарадея может быть выведено путем измерения поляризации источника на нескольких частотах.

Каждое такое измерение может предоставлять информацию только об одном пути через Галактику. Чтобы получить полное представление о магнитных полях в Млечном Пути из измерений Фарадея, нужно наблюдать много источников, распределенных по всему небу. В ходе большого международного сотрудничества радиоастрономы получили данные из 26 различных проектов, что дало им в общей сложности 41330 отдельных измерений. В среднем, полный каталог содержит приблизительно один источник радиоизлучения на квадратный градус неба.

Даже с таким большим количеством данных охват неба все еще довольно разбросанный. Остаются крупные регионы, особенно в южном полушарии, где до сих пор было сделано лишь относительно небольшое число измерений. Поэтому для получения реалистичной карты всего неба, надо интерполировать между существующими точками данных. Здесь, две трудности. Во-первых, соответствующие точности измерений сильно различаются, и более точные измерения должны иметь большее влияние. Кроме того, не известно в какой мере одна точка измерения может предоставить достоверную информацию о ее окружающей среде. Эта информация должна быть непосредственно выведена из самих данных.

Так же есть еще одна проблема. Погрешности измерений, сами по себе являются неопределенными из-за очень сложного процесса измерения. Получилось так, что фактическая погрешность измерения для небольшой, но значительной части данных может быть более чем в десять раз больше, чем та, которую указали астрономы. Воспринятая точность этих выбросов (резко выделяющихся значений экспериментальных величин) может сильно исказить получающуюся карту.

Рис. 2. Погрешность в карте Фарадея (нажмите для увеличения). Обратите внимание, что диапазон значений, значительно меньше, чем в карте Фарадея (рис. 1)

Рис. 2. Погрешность в карте Фарадея (нажмите для увеличения). Обратите внимание, что диапазон значений, значительно меньше, чем в карте Фарадея (рис. 1). В области астрономического Южного полюса (внизу справа) погрешность измерения особенно высока из-за низкой плотности частных значений

Для учета таких проблем ученые MPA разработали новый алгоритм восстановления изображений, который называется «расширенный критический фильтр». Для вывода этого алгоритма, команда использует инструменты, предоставляемые новой дисциплиной, известной как теория информационного поля (information field theory). Теория информационного поля включает в себя логические и статистические методы, применяемые к полям, и является очень мощным инструментом для работы с неточной информацией. Подход имеет весьма общий характер и может быть полезен для самых разных изображений и при обработке прикладных сигналов, и не только в астрономии, но и в других областях, таких как медицина или география.

В дополнение к подробной карте глубины Фарадея (рис. 1) алгоритм обеспечивает карту погрешности (рис. 2). Особенно в галактическом диске и в менее хорошо наблюдаемой области вокруг Южного полюса небесной сферы (нижний сектор справа) погрешность значительно больше.

Для того, чтобы лучше подчеркнуть структуры в магнитном поле Галактики, на рис. 3 (см. ниже) было удалено влияние галактического диска, таким образом слабые особенности выше и ниже галактического диска более заметны. Это показывает не только заметные горизонтальные полосы газового диска нашей Галактики в середине изображения, но также, что направления магнитного поля, похоже, противоположны над и под диском. Аналогичное изменение направления также имеет место между левой и правой стороной изображения, от одной стороны центра Млечного пути к другой.

Рис. 3. На этой карте поправка на влияние галактического диска была сделана для того, чтобы подчеркнуть слабые структуры магнитного поля (нажмите для увеличения)

Рис. 3. На этой карте поправка на влияние галактического диска была сделана для того, чтобы подчеркнуть слабые структуры магнитного поля (нажмите для увеличения). Направления магнитного поля выше и ниже диска кажутся диаметрально противоположными, о чем свидетельствуют положительные (красный) и отрицательные (синий) значения

Определенный сценарий в галактической теории динамо предсказывает такие симметричные структуры, которые подтверждены вновь созданными картами. В этом случае магнитное поле в основном расположено вдоль плоскости галактического диска, в круговой или спиральной конфигурации. Направление спирали противоположно выше и ниже галактического диска (рис. 3). Наблюдаемая симметрия в Фарадеевской карте является результатом нашей позиции в галактическом диске.

В дополнение к этим крупномасштабным структурам есть несколько более мелких структур. Они связаны с турбулентными вихрями и глыбами в сверхдинамичном газе Млечного Пути. Новая карта предоставляет алгоритм характеризующий распределение этих турбулентных структур по размерам, по так называемому спектру мощности. Большие структуры более выражены, чем меньшие, что характерно для турбулентных систем. Этот спектр можно напрямую сравнить с компьютерным моделированием турбулентного газа и динамикой магнитного поля в нашей Галактике, что позволяет обеспечить подробные тесты галактической модели динамо.

Новая карта является не только интересной для изучения нашей Галактики. Будущие исследования внегалактических магнитных полей будут опираться на данную карту. Следующее поколение радиотелескопов (например, LOFAR, eVLA, ASKAP, Meerkat и SKA), как ожидается, приступит к работе в ближайшие годы и десятилетия — с помощью них мы получим множество новых измерений эффекта Фарадея. Новые данные будут способствовать обновлению картины Фарадеевского неба. Возможно, эта карта укажет путь к скрытым галактическим магнитным полям.

Источники:

http://arxiv.org/abs/1111.6186

http://arxiv.org/abs/1107.2384

http://arxiv.org/abs/0806.3474

1 комментарий на “Магнитное поле Млечного Пути в мельчайших деталях

  1. владимр

    Интересно было бы иметь представление — где на этой карте наша солнечная система?

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *