Strefy radiacyjne czerwonych karłów są bardzo małe, a w gwiazdach najmniejszych nie ma ich w ogóle. Strefy radiacyjne czerwonych karłów są bardzo małe, a w gwiazdach najmniejszych nie ma ich w ogóle. Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz
Kosmos

Magnetyczne rządy

Geneza magnetarów nie jest dokładnie poznana. Uważa się, że musi dojść do szybkich obrotów obiektu, a także różnego obrotu jego poszczególnych warstw.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Geneza magnetarów nie jest dokładnie poznana. Uważa się, że musi dojść do szybkich obrotów obiektu, a także różnego obrotu jego poszczególnych warstw.
Istnieje we wszechświecie oddziaływanie, które decyduje o kluczowych kosmicznych procesach, np. o jasności kwazarów, liczbie gwiazd powstających z dysku gwiezdnego czy istnieniu życia na danej planecie. To magnetyzm.

Kilka miesięcy temu świat obiegła wiadomość, że najbliższa gwiazda spoza Układu, czyli Proxima Centauri (ten czerwony karzeł leży zaledwie 4,24 l.ś. od nas i ma 1/8 masy Słońca), posiada planetę typu ziemskiego. Mało tego, wydaje się, że planeta ta – Proxima Centauri b – okrąża swoją macierzystą gwiazdę w tzw. ekosferze, w której panująca na powierzchni temperatura pozwalałaby, by woda występowała w stanie płynnym. Proxima Centauri b nie została jeszcze dokładnie zbadana, wiadomo jednak, że ma 1,3 masy Ziemi i obiega swoją gwiazdę przez 11 dni w odległości jedynie 7,5 mln km (dla porównania – od Ziemi do Słońca jest 150 mln km), powinna być skalista, bo planety gazowe są zawsze istotnie większe, a panuje na niej nieco niższa temperatura niż na Ziemi.

Oczywiście od razu zaczęto spekulować, czy Proxima Centauri b nie mogłaby się stać dla nas drugą Ziemią, ponieważ pokonanie odległości nieco ponad 4 l.ś. powinno być kiedyś możliwe. Dzisiaj jeszcze potrzeba by na to setek tysięcy lat, ale teoretycznie, sprawę przyspieszyłoby np. użycie tzw. laserowego napędu kierowanego lub – co bardziej realne – dużego żagla słonecznego o średnicy niemal 4 km. Jak wynika z obliczeń, taki żagiel dostarczyłby tonę ładunku na Proximę Centauri b w niecałe 40 lat. Niestety, obecnie nie umiemy jeszcze ani szyć, ani nawet rozkładać w kosmosie tak dużych urządzeń.

Dom bez dachu

Z Proximą Centauri b wiąże się jednak pewien problem. Czerwone karły to zwykle gwiazdy bardzo zmienne, charakteryzujące się o wiele większą aktywnością niż nasze Słońce. Erupcja materii i emitowane promieniowanie są tam znacznie silniejsze, gdyż ciała te niemal w całości zajmuje tzw. strefa konwektywna – emitują one energię wskutek ruchu materii, a nie w wyniku promieniowania, jak dzieje się w przypadku większych gwiazd (najmniejsze czerwone karły w ogóle są pozbawione strefy radiacyjnej i cały transport energii realizuje się poprzez konwekcję). Potężne ruchy trącej o siebie materii powodują powstanie wielu silnych pól magnetycznych, które po zetknięciu się ze sobą doznają anihilacji, co jest przyczyną wzmożonej energetycznej aktywności gwiazdy. Powstają więc podobne do słonecznych protuberancje i koronalne wyrzuty masy, tyle że o wiele silniejsze i o wiele częstsze.

Ostatnio zespół uczonych z Princeton Plasma Physics Laboratory oraz z Princeton University przeprowadził pod kierownictwem fizyka Chuanfeia Donga bardzo zaawansowane symulacje, mające odpowiedzieć na pytanie, czy na planetach typu Proxima Centauri b mogłaby utrzymać się atmosfera. Ich wyniki ukazały się w jednym z ostatnich wydań czasopisma „The Astrophysical Journal Letters” i są w zasadzie jednoznaczne: utrzymanie się tam atmosfery przez dłuższy czas jest raczej niemożliwe. Ponieważ wiatr bardzo energetycznych cząstek dobiega do planety z bliska i ma znacznie większą siłę niż wiatr słoneczny, jego fotony silnie jonizują atomy i cząsteczki atmosfery, które stają się naładowane, a wówczas ciśnienie wiatru i jego oddziaływanie elektromagnetyczne wywiewają je w kosmos. Znaczne ubytki atmosfery powodują w rezultacie jałowienie planety. Jej powierzchnia podlega coraz większej erozji i staje się sucha. Podobny los spotkał kiedyś Marsa. Oczywiście egzoplanety mogą posiadać własne magnetosfery, jak Ziemia, ale ponieważ krążą blisko swoich gwiazd i są przez nie pływowo zatrzymywane – jak Księżyc przez Ziemię – ich pola magnetyczne, jeśli w ogóle istnieją, są raczej słabe. A za słabe pole nie chroni atmosfery przed groźnymi cząstkami wiatru gwiazdowego.

Wyniki prac zespołu Donga zmieniają też nasze zapatrywanie na to, ile w kosmosie, a przynajmniej w Drodze Mlecznej, może istnieć planet zdolnych zrodzić życie i je ochronić. Otóż znacząco mniej, niż do tej pory sądziliśmy, ponieważ większość egzoplanet w naszej Galaktyce krąży wokół czerwonych karłów. I nawet jeśli życie zaistniałoby na nich wcześniej, gdy jeszcze „atmosferycznie” miały się w miarę dobrze, to jednak trudno by mu się było na nich utrzymać.

Nasz rodzinny magnetyzm

Podobnie, choć oczywiście nie tak drastycznie, przedstawia się sytuacja w Układzie Słonecznym. Słońce nie ma jednego pola magnetycznego, ale setki, i pokrywają one jak wielkie plamy całą naszą gwiazdę. Gdy dwa pola magnetyczne o przeciwnej polarności się zetkną, powoduje to ich anihilację. W rezultacie dochodzi do uwolnienia energii zmagazynowanej w naprężonym polu magnetycznym, przejawiającej się gigantyczną erupcją plazmy na zewnątrz. Nazywa się to rozbłyskiem słonecznym. Rozbłyski, powstające przede wszystkim w chromosferze i koronie słonecznej, są zwykle krótkotrwałe (od kilkunastu minut do półtorej godziny), ale skutkują emisją największych ilości energii słonecznej w postaci fal elektromagnetycznych oraz strumieni cząstek. A jeszcze mamy właściwy wiatr słoneczny, którego sprawcą też są pola, a dokładniej – fale magnetyczne.

Położona najwyżej najgrubsza warstwa atmosfery słonecznej to korona. Temperatura osiąga tam nawet 2 mln °C, jest więc wielokroć wyższa niż temperatura powierzchni gwiazdy. Wszystko przez tzw. fale Alfvéna, czyli fale magnetyczne, które poruszają strugami plazmy w koronie tak jak fale morskie wodorostami. Ten ruch niezwykle rozgrzewa koronę słoneczną, przez co cząstki osiągają ogromne prędkości i mogą uciec ze Słońca pod postacią wiatru słonecznego. Wiatr dochodzi potem w pobliże Ziemi, lecz chroni nas przed nim magnetosfera, która staje się pułapką dla wysokoenergetycznych cząstek. Gdyby nie ona, z naszą atmosferą stałoby się to co z atmosferą Marsa i najpewniej wielu innych planet okrążających czerwone karły. W przypadku Ziemi istnienie atmosfery przekłada się na odpowiednią temperaturę i wodę w stanie płynnym. Skąd się bierze ziemskie pole magnetyczne? Tu także rolę odgrywają prądy konwekcyjne, powstające w płynnym jądrze naszej planety. Prądy te generują elektryczność, a ta – globalny magnetyzm rozchodzący się wokół Ziemi na ogromne odległości. Jak wspomniałem, Mars nie ma magnetosfery, a w przypadku Wenus jest ona śladowa.

Wszystko zaczyna się od magnetyzmu

Gwiazdy powstają z obłoków molekularnych, które pod wpływem jakiegoś zewnętrznego czynnika zaczynają się zagęszczać. Przekonujący opis tego zjawiska podał astrofizyk Alan Boss z Carnegie Institution for Science w Waszyngtonie. Otóż na los takiego obłoku istotnie wpływa przenikające go pole magnetyczne. Z jednej strony mamy potężne siły grawitacyjne, które kurczą obłok i prowadzą do jego fragmentacji, z drugiej zaś pole magnetyczne przeciwdziałające jego rozpadowi. Jeśli pole magnetyczne jest wystarczająco silne, materia przetrwa w całości i utworzy w ostateczności jedną gwiazdę. Jeśli jest zbyt słabe, grawitacja weźmie górę, obiekt rozpadnie się i powstanie układ wielokrotny – dwóch lub więcej gwiazd, co zależy od wielkości początkowego obłoku molekularnego.

Magnetyzm kwazarów i magnetary

Pola magnetyczne decydują również o niezwykłych procesach zachodzących w kwazarach i innych galaktykach aktywnych (więcej o tym: „Na tropie tajemnicy seyfertów”, „WiŻ” 1/2018). Ich nieporównywalna z niczym w kosmosie jasność jest wywołana dżetami materii, które powstają, gdy do centralnej czarnej dziury wpada gaz i pył z otaczającego ją dysku akrecyjnego. Z nieznanych do końca powodów niezwykle silne pole magnetyczne dysku sprawia, że do dziury nie trafia cała materia od razu, lecz w części jest ona odrzucana w przestrzeń w formie dwóch prostopadłych do płaszczyzny dysku dżetów. Materia tych strug jest przyspieszana do prędkości relatywistycznych, a ich jasność zależy od tego, pod jakim kątem obserwujemy czoło dżetu.

Wreszcie magnetyzm to istota bycia niezwykle egzotycznych obiektów wszechświata, a mianowicie magnetarów. Są to raczej wolno rotujące obiekty, które posiadają najsilniejsze pola magnetyczne w całym kosmosie. Można powiedzieć, że to kule magnetyzmu. Odkryto je w końcu lat 70. ub.w. dzięki temu, że niektóre emitują bardzo silne i powtarzalne rozbłyski promieniowania gamma. Początkowo więc nazwano je soft gamma repeaters (SGR), a wkrótce magnetarami. Magnetary to rodzaj gwiazd neutronowych o masie 1,5–2 mas Słońca, które mają średnicę 15– 20 km. Od zwykłych gwiazd neutronowych odróżnia je nieprawdopodobnie silne pole magnetyczne równe 1014 lub nawet 1015 Gs (gausów)! Dla porównania: pole magnetyczne Ziemi to 1 Gs, a Słońca – kilka gausów. Gdy tak nieduży, choć niezwykle masywny obiekt generuje błysk promieniowania gamma, energia błysku powinna go zniszczyć, ale chroni go przed tym gigantyczne pole magnetyczne (interpretacja obecnie przyjęta powszechnie, a zaproponowana wiele lat temu przez prof. Bohdana Paszyńskiego). Nie do końca wiadomo, jak takie monstra się rodzą. Najpewniej w ten sposób, że gdy po wybuchu supernowej o masie 8–20 mas Słońca utworzona gwiazda neutronowa zaczyna nagle się obracać, poszczególne jej warstwy rotują w różnym tempie. Pole magnetyczne nawija się wówczas między nimi i ulega ogromnemu wzmocnieniu. Trwa to bardzo krótko, ale wtedy powstaje magnetar. Emituje on powtarzalnie – co kilka, kilkanaście sekund – pulsy promieniowania gamma i okazjonalnie znacznie silniejsze rozbłyski gamma. Magnetary są aktywne krótko – od 10 do 100 tys. lat – co sugeruje, że może to nie być wcale odrębna klasa pulsarów, lecz tylko pewien etap w ich życiu. Niewiele o nich wiadomo i niewiele ich odkryliśmy (do dzisiaj nieco ponad 20), są to jednak obiekty, które można śmiało nazwać kosmiczną kwintesencją magnetyzmu, a więc oddziaływania odgrywającego niebagatelną rolę w całym wszechświecie.

Przemek Berg
dziennikarz naukowy, związany na stałe z redakcją tygodnika „Polityka”

Wiedza i Życie 2/2018 (998) z dnia 01.02.2018; Astrofizyka; s. 28
Reklama

Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną