Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 28 – vyšlo 12. července, ročník 2 (2004) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

28/2004

Křehká krása – magnetická pole v mlhovinách

Petr Kulhánek

Doba, kdy se tvrdilo, že všechny útvary ve vesmíru jsou formovány jen gravitační interakcí je dávno minulá. Dnes víme, že elektromagnetická síla se podílí na stavbě našeho vesmíru velmi výraznou měrou. Věříme, že magnetická pole jsou přítomna v mlhovinách, kde napomáhají zrodu hvězd v počátečních vývojových fázích, vytváří vláknité struktury a jsou rozhodující i v planetárních mlhovinách, které se vytvářejí kolem umírajících hvězd. První měření magnetických polí v planetárních mlhovinách se zdařilo v roce 2003. Naměřená pole jsou dokonce mnohem silnější než se očekávalo.

Zeemanův jev - štěpení energetických hladin atomů vlivem přítomnosti magnetického pole. Jde o skupinu hladin, které bez přítomnosti magnetického pole mají stejnou energii (tzv. degenerovaná energetická hladina). V přítomnosti magnetického pole mají jednotlivé hladiny již nepatrně odlišnou energii, která vede k rozštěpení jedné spektrální čáry na více čar. MASER - Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Zařízení, které zesiluje elektromagnetické záření pomocí stimulované emise v mikrovlnném oboru. Stejně funguje v optickém oboru LASER. Stimulovaná emise - vynucená emise. Foton prolétávající kolem vhodně vybuzeného atomu způsobí emisi fotonu o stejné vlnové délce a fázi. Magnetozvuková vlna - obdoba zvukové vlny šířící se v ionizovaném prostředí za přítomnosti magnetického pole. Vlna se šíří anizotropně, a to ve třech vlnoplochách. Dochází k přelévání energie mezi kinetickou energií částic, tlakovou energií látky a energií magnetického pole. Planetární mlhovina - odhozená obálka hvězdy v jejím závěrečném stádiu vývoje. Za roztodivné tvary planetárních mlhovin může přítomné magnetické pole. Planetární mlhoviny nemají nic společného s planetami, název vznikl na základě podobnosti mlhoviny s kotoučkem planety v malých dalekohledech. Jeansovo kritérium - hvězdy mohou vznikat jen v mlhovinách větších a hmotnějších než je určitá kritická mez. Typické zárodečné mlhoviny mají rozměry 20÷30 ly a hmotnosti 100÷1000 MS. V přítomnosti magnetického pole Jeansovo kritérium neplatí a hvězdy mohou vznikat i v menších mlhovinách

Planetární  mlhoviny

Planetární mlhoviny jsou odhozené obálky starých dožívajících hvězd. Jde o hvězdné obry, v jejichž nitru se termojadernou syntézou přeměňuje hélium na těžší prvky, zejména uhlík, dusík a kyslík. V závěrečných fázích života těchto hvězd dochází k nestabilitám, které vedou k jednorázovému nebo i opakovanému odhazování obálek. Obálky mají v některých případech sférickou strukturu (často viditelnou jako prstenec kolem hvězdy), v mnoha případech mají ale tyto mlhoviny bipolární (motýlovitý) tvar s vystupujícími vlákny látky, který se po dlouhá léta nedařilo objasnit. Jedno z možných vysvětlení počítalo s tím, že hvězda je součástí dvojhvězdné soustavy a druhá složka není vidět. Mohlo by jít o hnědého trpaslíka, bílého trpaslíka nebo neutronovou hvězdu. Druhá složka by mohla způsobit často fotografované nesférické tvary obálek s typickými dvěma laloky.

Mlhovina Mravenec (Ant, Menzel 3, Mz3). Typická bipolární mlhovina s dvěma laloky a radiálně vystupujícími vlákny. Za strukturu je odpovědné silné magnetické pole. Foto HST, WFPC2, 1998.

Druhým možným vysvětlením je přítomnost magnetického pole v mlhovině. Ionizovaný materiál mlhoviny se pohybuje podél magnetických silokřivek a vytváří pozorované struktury. Ve prospěch této hypotézy hovoří měření z roku 2003, která provedli Wouter Vlemmings (Jodrell Bank Observatory), Philip Diamond (University of Manchester) a Huib Jan van Langevelde (Joint Institute for VLBI). Magnetická pole měřili v planetárních mlhovinách v okolí tří červených veleobrů, konkrétně šlo o hvězdy S Persei, VY Canis Majoris a NML Cygni a měření se prováděla pomocí soustavy radioantén VLBA. V obálkách hvězd veleobrů je přítomen prach, plyn a vodní pára. Ta funguje jako přirozený vodní maser, který zesiluje světlo o vlnové délce 1.3 cm, odpovídající přechodu mezi dvěma rotačními stavy molekul vody. Tato spektrální čára se v přítomnosti magnetického pole štěpí na více čar, jev se nazývá Zeemanův a je pojmenovaný podle holandského fyzika Pietera Zeemana (1865-1943). Ze vzdálenosti jednotlivých čar je možné určit indukci magnetického pole. Naměřené hodnoty byly překvapivé: 0.5÷1 G (0.05÷0.1 mT). Uvědomíme-li si, že pole je generováno centrální hvězdou, musí být jeho hodnota na povrchu hvězdy zhruba 5÷100 mT, což je pole o jeden až dva řády vyšší než na povrchu Slunce. Takto silná pole u umírajících hvězd nikdo neočekával. Snad jsou generována rychle rotujícími povrchovými vrstvami obra nebo diferenciální rotací jádra. Ať už je ale původ pole jakýkoli, je natolik silné, že je zcela jistě odpovědné za pozorované struktury ve zkoumaných planetárních mlhovinách.

Mlhovina Kočičí oko (Cat's Eye, NGC 6543). Kombinovaný snímek z HST v optickém oboru a z Chandry v RTG oboru. Roentgenově zářící oblasti jsou na snímku modré a kopírují bipolární charakter mlhoviny způsobený přítomností magnetického pole. Foto HST+ Chandra, 2001.

Dalším faktem ve prospěch existence silných magnetických polí v planetárních mlhovinách je práce R. Dganiho, který prokázal souvislost pásů látky v planetárních mlhovinách s magnezvukovými vlnami šířícími se v odhozené obálce. V lednu 2004 podpořil úvahy o silných magnetických polích v mlhovinách Adam Frank z univerzity v Rochestru svými numerickými simulacemi. Ukázal, že kontrahující jádro staré hvězdy může generovat silná magnetická pole a že vyvrhovaná hmota sleduje magnetické silokřivky. Tím při simulacích vznikají tvary podobné pozorovaným.

VLBA (Very Large Baseline Array) -  síť deseti radioteleskopů rozmístěná od Havajských po Panenské ostrovy s délkou základny 8 600 km. Průměr každé antény je 25 m, provozovatelem je National Science Foundation se sídlem v Novém Mexiku. Síť je v provozu od roku 1993. SST (Spitzer Space Telescope) - orbitální stanice s infračerveným dalekohledem na palubě, která byla vynesena na oběžnou dráhu v srpnu 2003. Jde o družici NASA, jejíž vědecký program má na starosti California Institute of Technology.

Další mlhoviny

I u ostatních typů mlhovin je pravděpodobné, že strukturu mlhovin dominantně ovlivňuje magnetické pole a je pravděpodobně jen otázkou času, než bude detekováno. V mlhovinách se často nachází vláknité struktury, které jsou typické pro přítomnost magnetických polí. Magnetická pole asi hrají i zásadní úlohu při vzniku hvězd ze zárodečných mlhovin. Přítomnost pole vede k nestabilitám, které mohou být zodpovědné za vznik globulí - zárodků hvězd v oblastech menších než udává tzv. Jeansovo kritérium. Nabitý prach v zárodečné mlhovině za přítomnosti magnetického pole osciluje na ultranízkých frekvencích a vytváří vlny obdobné magnetozvukovým vlnám. I tyto neprozkoumané jevy mohou výrazně ovlivnit proces vzniku hvězd. Role magnetického pole při procesech v mlhovinách je dodnes otevřenou otázkou, jejíž řešení lze očekávat v brzké době.

RCW49, mlhovina spojená s kompaktní hvězdokupou, ve které se pozoruje 300 protohvězd neboli hvězdných zárodků. Všechny jsou obklopeny prachoplynnými disky, jakýmisi zárodečnými kokony. Snímek byl pořízen v IR oboru novým dalekohledem Spitzer Space Telescope (SST), který na oběžnou dráhu dopravila americká NASA v srpnu 2003. Zcela zřejmé jsou vláknité struktury typické pro přítomnost magnetického pole v mlhovině.

Odkazy