Измерить магнитное поле с помощью эффекта Зеемана все же удается в некоторых частях галактик, где плотность межзвездной среды и напряженность магнитного поля побольше, а скорости – поменьше. Это холодные молекулярные облака межзвездного газа. Такие наблюдения очень важны и полезны, но все же это частности.
И тут астрономия получает совершенно неожиданную поддержку от неожиданного союзника – сахарной промышленности.
В этой индустрии важно оперативно измерять содержание сахара в растворе, который образуется при его вываривании, скажем, из сахарной свеклы. Для этого сообразительные специалисты сахарного дела используют возможность сделать свет поляризованным. В луче поляризованного света векторы электрического (и магнитного) поля направлены не как попало, а колеблются в одной плоскости, которая называется плоскостью поляризации. Несомненно, тут придется потрудиться, но это технически разрешимая задача.
Если луч поляризованного света проходит через раствор сахара, то положение плоскости поляризации не остается постоянным. Она поворачивается на некоторый угол, по величине которого можно вычислить концентрацию сахара в растворе и соответственно обнаружить нечистых на руку или просто небрежных рабочих и выяснить, соблюдали ли рабочие рецептуру приготовления. Конечно, цель – бороться за качество продукции.
Это явление называется эффектом Фарадея по имени обнаружившего этот эффект знаменитого английского физика XIX в.
Плоскость поляризации вращается в сахаре потому, что молекулы сахара, плавающие в растворе, обладают определенной асимметрией. Точнее, молекулы сахара (как и многие другие органические молекулы) могут существовать в двух вариантах – «правом» и «левом» – это зеркальные отражения друг друга. Живые организмы (в частности, сахарная свекла) вырабатывают молекулы сахара одной ориентации. Почему это происходит, не до конца ясно, но, поскольку мы говорим об астрономии, это вопрос второстепенный. Пусть с этой загадкой природы разбираются другие.
Важно то, что магнитное поле действует на свет так же, как и сахар: происходит поворот плоскости поляризации. Эффект Фарадея в магнитном поле можно, разумеется, наблюдать в лабораторном эксперименте. Теоретическая физика объясняет причину этого явления. О ней написано в одной из книг замечательного отечественного физика, лауреата Нобелевской премии В. Л. Гинзбурга. Она переведена на английский язык, и астрономы, начавшие наблюдать магнитные поля с помощью эффекта Фарадея, учились по этой книге.
Оказывается, угол поворота плоскости поляризации пропорционален квадрату длины волны излучения. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называется мерой фарадеевского вращения и обозначается как RM (rotation measure). (Удивительно, но в русском языке имя Фарадея упоминается чаще, чем в его родном английском.) В свою очередь, мера фарадеевского вращения пропорциональна напряженности магнитного поля (точнее, его компоненте вдоль луча зрения), плотности электронов и длине области, занятой магнитным полем.
Для астрономии очень важно, что в этой зависимости участвует длина области, то есть эффект является интегральным. Это значит, что можно использовать гигантские размеры небесных тел, – в эффекте Зеемана такой зависимости нет. Приятно и то, что эффект Фарадея не связан со спектральными линиями.
Для того чтобы воспользоваться эффектом Фарадея в астрономических наблюдениях, нужно понять, в каком диапазоне длин волн разумно вести наблюдения.
Понятно, что угол поворота плоскости поляризации должен быть не слишком маленьким, иначе его трудно заметить. Соответственно, длина волны должна быть не слишком маленькой. Но она должна быть и не слишком большой. Дело в том, что угол поворота плоскости поляризации определен с точностью до 180°. Если плоскость поляризации повернулась на 190°, то наблюдатель скажет, что она повернулась всего на 10°!
В 1970-х гг., когда астрономия подходила к наблюдению магнитных полей галактик, было уже известно, какого порядка их магнитные поля. Эту оценку получил на 20 лет раньше великий Энрико Ферми, который предположил, что космические лучи, то есть протоны и другие атомные ядра высоких энергий, удерживаются в нашей галактике Млечный Путь ее магнитным полем. Для этого магнитное поле должно быть достаточно большим. Из других наблюдений была примерно известна плотность межзвездного газа. Все вместе указывало на то, что фарадеевское вращение следует наблюдать в том диапазоне, который относится к сфере радиоастрономии. Например, можно сопоставлять данные, полученные на длинах волн в 6 и 18 сантиметров. Хорошо к ним добавить и данные, полученные на 3-м и 21-м сантиметре, и получить убедительное доказательство того, что мы имеем дело именно с фарадеевским вращением.
К моменту, когда радиоастрономы осознали все эти обстоятельства, произошло событие, во многом определившее судьбы изучения магнитных полей галактик. К этому времени хозяйство ФРГ восстановилось после военной катастрофы и руководители немецкой науки стали обдумывать, как можно хотя бы отчасти восстановить славные традиции немецкой науки. Предусмотрительные ученые мужи справедливо решили, что нет смысла догонять ушедших вперед конкурентов и гораздо лучше заняться чем-то принципиально новым. Были выделены деньги на строительство очень большого радиотелескопа. Он был построен недалеко от Бонна, в горах, в местечке с красивым названием Эффельсберг. Для научного руководства новым телескопом был приглашен Рихард Вилебинский. По происхождению он поляк, но вырос и выучился радиоастрономии в Австралии – стране, которая традиционно является одним из лидеров в этой области науки. Между прочим, он всегда был горячим сторонником научного сотрудничества с астрономами нашей страны.
Вилебинский правильно выбрал направление для научного прорыва – наблюдение магнитных полей внешних галактик (то есть не Млечного Пути) с помощью вычисления мер фарадеевского вращения и других характеристик поляризованного излучения межзвездной среды спиральных галактик.
Вилебинскому удалось сформировать работоспособную научную группу, которая со временем выросла в сообщество замечательных радиоастрономов, на несколько десятилетий ставших абсолютными лидерами в этой области.
Трудно описать всех членов этой группы, поэтому назову только некоторых. Прежде всего это Райнер Бек, ставший на несколько десятилетий безусловным лидером в наблюдении магнитных полей галактик, а также крупные ученые Марита Краузе и Элли Бергхьюзен, нидерландский радиоастроном, выпускница Лейденского университета, знаменитого своими традициями радиоастрономии. Все эти люди – яркие индивидуальности, о которых в кругах специалистов ходят легенды. Когда встречаются два эксперта в области магнитных полей галактик, то тут же вспоминают, как оба в одно и то же время были в гостях у Элли и как она кормила всех супом, сделанным из одного пакетика концентрата.
Именно группа Института радиоастрономии в Бонне получила основные наблюдательные сведения о магнитных полях спиральных галактик. Кроме спиральных, есть и другие виды галактик, но именно спиральные наиболее интересны для понимания галактического магнетизма.
Очевидно, никакое научное лидерство не может продолжаться бесконечно долго. Сменяются научные поколения и научные приоритеты. Со временем к немецкой группе присоединились и коллеги, и конкуренты. Расскажу об одной из групп, которые