az a közös tulajdonságuk, hogy színképük a
csillaglégkör anomális kémiai összetételére utal: a többi csillaghoz
képest rendkívül gyakori az atmoszférájukban a króm, a stroncium, az
európium és más ritkaföldfémek. A mágneses térerősségnek és a
csillag fényességének időbeli változásából (ezek periodicitásából)
nemcsak a csillag tengelyforgási periódusa állapítható meg, hanem az
is kiderül, hogy a változásokat az váltja ki, hogy a csillag
forgástengelye nem esik egybe a mágneses tengellyel – ez az ún.
ferde rotátor esete. A mágneses mező szerkezete ennek alapján
modellezhető. Arra azonban jelenleg még nincs magyarázat, hogy a
számottevő mágneses mező hogyan idézi elő a kémiai elemek anomális
gyakoriságát a csillag atmoszférájában. A mágneses csillagokról
készített színképek elemzéséből az mindenesetre kiderül, hogy
némelyik elem nagyon egyenetlenül oszlik el a csillag felszínén. A
mágneses térerősségnek a forgásból származó periodikus változásán
kívül maga a mágneses mező évtizedes időskálán állandónak bizonyul.
Ez a megfigyelési tény kizárja, hogy az erős mágnességet
dinamó-mechanizmus kelti.
Mágnesség fehér törpékben
A csillagok kezdeti tömegüktől függő ütemben fejlődve előbb-utóbb –
ugyancsak a kezdeti tömegük által meghatározott – végállapotba
kerülnek. Ha a csillag tömege a magfúziók megszűntekor nem éri el a
Nap tömegének 1,4-szeresét, akkor fehér törpe lesz belőle. (A
jelenleg 4,5 milliárd éves Nap legalább ugyanennyi idő múlva jut el
a fehér törpe állapotba.)
Sok olyan fehér törpét találtak, amelyeknél a
Zeeman-effektus, illetve a színképvonalak polarizációja alapján a
mágneses fluxussűrűség 10 000 tesla nagyságrendű. Ez a közönséges
csillagok mágnességéhez vagy a Földön keltett mágneses mezőkhöz
viszonyítva rendkívül erős, de a magnetohidrodinamikai befagyás
tétele (lásd Abonyi Iván tanulmányát e cikkgyűjteményben) alapján
nem meglepő az ilyen nagy érték, hiszen a fehér törpék átmérője a
Földéhez hasonló – a csillagállapotból ekkora méretűre zsugorodó
objektumban rendkívüli módon felerősödik a mágneses mező. Ilyen erős
mágnesség esetén a Zeeman-effektus is bonyolultabb formát ölt
(kvadratikus Zeeman-effektus és Paschen–Back-effektus), illetve az
objektum folytonos színképe egészében polarizálódik.
A mágneses eredetű vonalfelhasadás és polarizáció a
fehér törpék egy részénél periodikusan változik. Az 1 óra és 20 nap
közötti periodicitás az égitest tengelyforgási ideje lehet, és a
megfigyelhető változás ez esetben is egyszerűen magyarázható a ferde
rotátor modell keretében. A változás hiánya pedig a mágneses
tengelynek a látóiránnyal bezárt kis szögére, illetve nagyon lassú
tengelyforgásra utal.
A vizsgált fehér törpék többségénél viszont nem
találtak mérhető értékű mágneses teret, a mágneses fehér törpék
aránya mindössze 4%, ami alapjaiban megnehezíti az ebbe a
végállapotba került égitestek mágnességének megmagyarázását. Igaz,
hogy a csillagfejlődés során a fehér törpe állapotot megelőzően a
csillag vörös óriás fázison ment át, amely szakaszban a csillag
anyaga teljesen konvektív, és ilyenkor kedvezőek a feltételek ahhoz,
hogy a csillag megszabaduljon mágneses fluxusának nagy részétől, de
ettől még nem derül ki, hogy miért léteznek erősen mágneses és
egyáltalán nem mágneses fehér törpék.
Neutroncsillagok és magnetárok
A nagyobb kezdeti tömegű csillagok a belsejükben végbemenő fúziós
energiatermelés megszűntével több anyagot tartalmaznak annál, hogy
fehér törpeként végezzék. A gravitáció uralkodóvá válásával így
jóval kisebb és sűrűbb testté, neutroncsillaggá zsugorodnak. Az
ilyen égitest sugara mindössze 10 km, ezért a magnetohidrodinamikai
befagyás hatására még az eredetileg akár csekély mágneses tér is
elképesztően felerősödik: a neutroncsillagokra az
egymillió-egymillárd tesla értékű fluxussűrűség jellemző. És nincs
is olyan neutroncsillag, amely ne lenne ennyire mágneses! Viszont
azok között a fiatal csillagok között, amelyek jelenlegi tömegük
alapján majd neutroncsillaggá válnak, egyetlenegynél sem
tapasztaltak mérhető mágneses teret.
A neutroncsillagok mágnességének másik furcsasága
az, hogy van közöttük egy alcsoport, amelynek tagjai még erősebben
mágnesesek. Ezekben az ún. magnetárokban százmilliárd tesla a
mágneses mező fluxussűrűsége. A magnetárokról kiderült, hogy
azonosak az 1979 óta ismert lágygamma-ismétlőkkel. Ez utóbbiak az
elektromágneses színkép legnagyobb energiájú tartományában, a
gammasugárzáséban – igaz, annak a kisebb frekvenciájú, a
röntgentartománnyal szomszédos részén, azaz a lágygamma-tartományban
– ismétlődő kitöréseket produkálnak. A gammakitörések ténye akkor
már nem volt újdonság a csillagászoknak, de addig egyetlen olyan
forrást sem ismertek, amelyik ismételten felfénylett.
A magnetárkitörés pontos oka nem ismert, de egy
elfogadhatónak tűnő modell szerint a neutroncsillagok szerkezete és
a bennük uralkodó szupererős mágneses mező váltja ki. A mágnesség és
a neutroncsillag szilárd kérgének kölcsönhatása néha gigantikus
csillagrengéshez vezet, amelynek során elképesztően sok energia
szabadul fel (tizedmásodpercek alatt annyi, amennyit a Nap évezredek
alatt sugároz ki), ez észlelhető magnetár-kitörésként. Hatására a
neutroncsillag kérge átrendeződik, és egy ideig „megnyugszik”. A
mágneses tér fékezi a neutroncsillag egyébként rendkívül gyors
(jellemzően másodpercnél is rövidebb periódusú) forgását. Az ismert
magnetárok forgási periódusa a röntgensugárzásuk erősségének
periodikus változása alapján valóban hosszabb, mint egy pulzárként
viselkedő átlagos neutroncsillagé: 7–8 másodperc. A modell szerint a
neutroncsillag mágneses mezeje a dinamó-mechanizmus hatására
erősödik fel az eredeti érték százszorosára, majd néhányezer év
alatt lebomlik a neutroncsillagokra jellemző „normális” szintre.
A mágneses tér szerepe csillagkeletkezéskor
Bár a csillagok túlnyomó többségének mágneses mezeje
észlelhetetlenül gyenge, feltételezések szerint mégsem tekinthetjük
úgy, hogy a csillagokban nincs mágnesség. A megfigyelések és a
modellek szerint a mágnességnek már a csillagok kialakulása során is
lényeges szerep jut.
A csillagkeletkezés a csillagközi anyag sűrű
molekulafelhőiben megy végbe. A felhő legsűrűbb tartományaiban, a
felhőmagokban levő anyag saját gravitációja hatására összehúzódásba
kezd, kialakulnak a protocsillagok. A csillagkezdemény egyre több
anyagot vonz magához a környezetéből, miközben zsugorodik és
melegszik. A protocsillag forgása eközben gyorsul (az
impulzusnyomaték megmaradása miatt), és anyaga folyamatosan
gyarapszik a körülötte levő lapos, tömegbefogási (akkréciós)
korongból. A bezuhanó anyagtól a sűrűsödő és egyre kisebb átmérőjű
protocsillag belseje magas hőmérsékletűvé válik, miközben a
peremvidéke hideg marad. A csillagkezdemény anyaga konvektív
állapotba kerül. Az anyagáramlás és a gyors forgás a
dinamó-mechanizmussal mágneses teret kelt, s ez a mágneses mező
kölcsönhat a befelé hulló anyaggal. Az akkréciós korongban a
protocsillag felé áramló ionizált gáz (plazma) egy része a mágneses
erővonalak mentén a kialakuló csillagba hullva annak tömegét
gyarapítja, a korong anyagának legnagyobb perdületű része pedig a
korongra merőlegesen, a nyitott mágneses erővonalak mentén kirepül a
rendszerből (4. ábra).
Ezzel az ún. magnetocentrifugális széllel jelentős mennyiségű
impulzusnyomaték is távozik, így a még összehúzódó csillag nem pörög
fel túlságosan – különben a begyűjtött anyaga lerepülne róla, és
nagy tömegű csillagok nem is tudnának kialakulni. A mágneses tér
szerepének felismerése előtt nem is sikerült megmagyarázni, hogy
miként szabadul meg a protocsillag a számára fölösleges perdülettől.
A Nap 4,5 milliárd évvel ezelőtt ment át ilyen fejlődési fázison.
A Tejútrendszer mágneses mezeje
Nem csupán az egyedi égitestekre jellemző a mágnesség. A kozmikus
objektumok nagyobb rendszereit, így saját galaxisunkat, a
Tejútrendszert is mágneses mező hatja át. Itt azonban egészen kis
fluxussűrűségről, milliárdod (10-9) tesla értékről van
szó. Figyelembe véve ugyanakkor a mágneses mező hatalmas
kiterjedését (ti. a Tejútrendszer korongjának átmérője százezer
fényév), a mágneses energia jelentős tényező a galaxis dinamikai
folyamatai során.
A csillagok kapcsán már volt szó arról, hogy
többségük mágnessége észlelhetetlenül gyenge – itt a kimutatást az
optikai színképben levő vonalak észrevehetetlen Zeeman-effektusa
hiúsítja meg. Ha nem csillagokról van szó, akkor viszont szóba
jöhetnek más jelenségeken alapuló módszerek is a mágneses mező
kimutatására.
Mágnességre utal a szinkrotronsugárzás, amelyet
töltött részecskék bocsátanak ki, amikor a fénysebességhez közeli
sebességgel mozognak mágneses térben. A szinkrotronemisszió a
rádiósugárzás tartományában detektálható. Itt egyébként a
csillagközi gázban levő hidrogénatomok 21 cm-es hullámhosszú
színképvonalának Zeeman-felhasadása is mérhető – hiába annyira
alacsony a mágneses fluxus sűrűsége –, annak a ténynek köszönhetően,
hogy a Zeeman-hatástól eredő felhasadás mértéke a megfigyelési
hullámhosszal arányos A Tejútrendszer globális mágneses mezejére
utal a csillagok és a csillagközi porfelhők fényének polarizációja
is. A csillagközi por szemcséit ugyanis a mágneses mező úgy rendezi,
hogy a hossztengelyük párhuzamos legyen a mágneses erővonalakkal.
Emiatt a porfelhők felől érkező fény poláros. Rádiófrekvenciákon
megfigyelhető még az ún. Faraday-rotáció (Faraday-effektus) is,
amelynek lényege az, hogy mágneses mezőben az erővonalakkal
párhuzamosan haladó, lineárisan polarizált sugárzás polarizációs
síkja elfordul (5. ábra).

5. ábra • A szinkrotronemisszió
és a Faraday-rotáció kialakulása
E módszerekkel nemcsak a tejútrendszerbeli globális
mágneses mező erősségét és szerkezetét sikerült feltérképezni, de
más, viszonylag közeli extragalaxisokban is tanulmányozni lehet a
mágneses mező struktúráját.
Intergalaktikus mágnesség
A galaxisok nagy kiterjedésű külső régiójának, a halónak a
mágnességéről az onnan érkező szinkrotronsugárzás tanúskodik. A
galaxisok között előforduló aktív magú galaxisok gigantikus, de
keskeny kúpszögű nyalábok formájában anyagot lövellnek ki hatalmas
sebességgel az intergalaktikus térbe. A bipoláris kilövelléseket a
mágneses mező hajtja, miként a csillagkeletkezésnél is láthattuk.
Így közvetett bizonyítékok utalnak arra, hogy a galaxisok közötti
térséget is áthatja a mágneses mező, bár annak fluxussűrűsége olyan
alacsony, hogy lehetetlen megmérni. Kivételt csak a galaxishalmazok
belseje képez: a galaxisok közötti régióra vonatkozóan 10-10
T fluxussűrűséget határoztak meg az onnan érkező sugárzás
Faraday-rotációját megmérve.
A kozmológiai modellek is figyelembe veszik az
univerzum mágnességét. Legalább 10-16 T fluxussűrűség
kell ahhoz, hogy a megfigyelhető világegyetemben kialakult
struktúrákat és jelenségeket le lehessen származtatni a korábbi
állapotokból. A mágnesség kialakulására vonatkozóan azonban csak
elgondolások (illetve azokra épülő modellszámítások) vannak. Az
egyik iskola szerint maga a mágnesség primordiális: vagy az
ősrobbanást követő kozmológiai infláció, vagy az ősi (elektrogyenge
vagy kvark-hadron) fázisátmenetek során keletkezett, hogy aztán az
utóbb kialakuló galaxisokban és azok halmazaiban dinamóhatással
felerősödjön. A másik elgondolás szerint a mágneses mező csírái csak
a már kialakult galaxisokban és galaxishalmazokban jöttek létre
plazmaeffektusok során, s ugyancsak a dinamóhatás erősítette fel a
mágneses csírákat. Tehát az alapkérdésre, hogy honnan ered a kozmosz
mágnessége, még nem tudjuk a választ. Az égitestek és kozmikus
jelenségek szerteágazó, tarka világát mindenesetre gazdagítja a
világegyetem mágnessége, amelynek erőssége elképesztően tág határok
között (legalább 1021-szeres faktorral) változik (1. táblázat).
Kulcsszavak: mágnesség, magnetár, mágneses befagyás,
naptevékenység, differenciális rotáció, ferde rotátor,
Zeeman-effektus
IRODALOM
Erdős Géza – Balogh André (2012): A
helioszféra háromdi-menziós szerkezete. Magyar Tudomány. 12,
1419-1425. •
WEBCÍM
Kun Mária (2005): Fiatal csillagok és
környezetük kölcsönha-tásai. Fizikai Szemle. 9, 309-313. •
WEBCÍM
|