Номер 4, страница 396 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Глава 16. Строение вселенной. Параграф 106. Млечный путь - наша галактика. Вопросы к параграфу - номер 4, страница 396.

Условие.

4. На основании каких наблюдений изучают распределение магнитного поля и космических лучей в Галактике?

Решение.

Решение 2.

Изучение распределения магнитного поля и космических лучей в Галактике является сложной задачей, поскольку мы находимся внутри изучаемого объекта. Эти компоненты межзвездной среды невидимы в оптическом диапазоне, поэтому для их исследования используются косвенные методы, основанные на наблюдении их взаимодействия с веществом и излучением, а также на прямой регистрации частиц.

Распределение и структура магнитного поля Галактики изучаются на основе следующих наблюдательных эффектов:

Синхротронное излучение. Релятивистские электроны, являющиеся частью космических лучей, движутся по спиральным траекториям в магнитном поле и испускают нетепловое радиоизлучение. Интенсивность и поляризация этого излучения, наблюдаемые с помощью радиотелескопов, несут информацию о силе и направлении компоненты магнитного поля, перпендикулярной лучу зрения, а также о плотности релятивистских электронов.

Эффект Фарадея. Плоскость поляризации радиоволн от далеких источников (например, пульсаров или внегалактических радиоисточников) поворачивается при прохождении через намагниченную межзвездную плазму. Угол поворота, или мера вращения Фарадея (RM), пропорционален интегралу вдоль луча зрения от произведения концентрации свободных электронов $n_e$ и компоненты магнитного поля вдоль луча зрения $B_{\|}$: $RM \propto \int n_e B_{\|} \, dl$. Измерения RM для множества источников в разных направлениях позволяют построить карту распределения продольной компоненты поля в Галактике.

Поляризация света звезд. Свет далеких звезд становится частично поляризованным, проходя через облака вытянутых межзвездных пылинок, которые имеют свойство ориентироваться перпендикулярно линиям магнитного поля. Массовые наблюдения поляризации света звезд в оптическом и инфракрасном диапазонах позволяют картировать направление магнитного поля (в проекции на плоскость неба), в основном в локальной области Галактики.

Эффект Зеемана. Сильное магнитное поле вызывает расщепление спектральных линий атомов и молекул на несколько компонент. Наблюдая это расщепление в радиолиниях (например, в линии нейтрального водорода на длине волны 21 см или в линиях молекул OH), можно напрямую измерить напряженность поля вдоль луча зрения. Этот метод наиболее эффективен для плотных молекулярных облаков, где магнитные поля значительно сильнее, чем в среднем по Галактике.

Распределение космических лучей (потоков высокоэнергетических заряженных частиц, в основном протонов и ядер атомов) изучается следующими методами:

Прямые наблюдения. Детекторы, установленные на космических аппаратах (например, AMS-02 на МКС), высотных аэростатах и ракетах, напрямую регистрируют частицы космических лучей, достигающие окрестностей Земли. Эти приборы измеряют их энергию, заряд и массу, то есть определяют состав лучей. Этот метод дает точную, но локальную информацию, характеризующую потоки частиц только вблизи Солнечной системы.

Непрямые наблюдения. Поскольку траектории заряженных частиц космических лучей искривляются галактическими магнитными полями, направление их прилета на Землю не указывает на источник (за исключением частиц сверхвысоких энергий). Поэтому их крупномасштабное распределение в Галактике изучают по вторичным продуктам, которые они генерируют при взаимодействии с межзвездной средой. Ключевыми являются наблюдения:

• Гамма-излучения, которое возникает преимущественно при столкновении космических лучей с ядрами атомов межзвездного газа. Карта гамма-яркости Галактики (полученная, например, космическим телескопом Fermi-LAT) при известном распределении газа позволяет восстановить карту плотности космических лучей по всему галактическому диску.

• Синхротронного радиоизлучения, которое, как уже упоминалось, создается электронной компонентой космических лучей и позволяет изучать распределение именно этих частиц.

• Нейтрино высоких энергий, которые рождаются в тех же процессах взаимодействия космических лучей с газом, что и гамма-кванты. Регистрация нейтрино (например, обсерваторией IceCube) служит важным независимым каналом информации о распределении и источниках самых энергичных космических лучей в Галактике.

Ответ: Распределение магнитного поля в Галактике изучают на основании наблюдений синхротронного излучения, эффекта Фарадея (вращения плоскости поляризации радиоволн), поляризации света далеких звезд и эффекта Зеемана в спектральных линиях. Распределение космических лучей изучают путем прямых измерений их потока у Земли с помощью спутников и аэростатов, а также косвенно — по наблюдению вторичного излучения (гамма-лучей, радиоволн и нейтрино), которое возникает при взаимодействии космических лучей с межзвездным газом и магнитными полями Галактики.