Лекции о Солнце

Рис. 12. Иллюстрация расщепления магниточувствительной линии поглощения магнитным полем солнечного пятна. Вверху – линии в невозмущенной фотосфере, внизу – линии в солнечном пятне

Замечательно то, что величина смещения σ-компонентов относительно невозмущенной линии пропорциональна напряженности магнитного поля! Чем сильнее поле, тем сильнее расходятся σ-компоненты. Коэффициент пропорциональности (так называемый фактор Ланде) оказывается различным для разных линий и зависит от структуры типа атомов, которые порождают данную фраунгоферову линию.

Заметить зеемановское расщепление в линиях солнечного спектра нелегко. Общее магнитное поле Солнца, как мы знаем сегодня, незначительно. Если «запустить» в спектроскоп солнечный свет от яркой поверхности светила, магнитное расщепление фраунгоферовых линий будет ничтожным. Но в солнечных пятнах – самых «интересных» местах на Солнце – расщепление оказалось достаточно заметным!

Открытие магнитных полей на Солнце – пожалуй, одно из самых значительных на всю историю изучения светила. Ниже мы увидим, что именно магнитные поля ответственны за невероятно сложные физические процессы на Солнце, в которых исследователи разбираются вот уже целый век. Честь открытия магнитных полей на дневном светиле принадлежит выдающемуся американскому астрофизику Джорджу Эллери Хэйлу (1868–1938).

Хэйл родился в Чикаго, окончил Массачусетский технологический институт. Интерес к астрономии у него проявился еще в детстве. Его отец поддерживал этот интерес, причем даже в то время, когда сын был уже вполне взрослым: Хэйл-старший финансировал небольшую частную обсерваторию в Кинвуде (близ Чикаго). Окончив институт, Хэйл-младший приступил к профессиональным наблюдениям Солнца на этой обсерватории. Здесь он построил прибор, который получил название спектрогелиограф. Принцип работы прибора заключается в следующем: если последовательно наводить телескоп, оснащенный спектроскопом, на разные участки поверхности Солнца, можно построить изображение Солнца в свете какой-нибудь одной выбранной линии. Изображение фотографируется.

Впервые человек увидел Солнце не в белом свете, а в узком диапазоне одной спектральной линии (монохроматическом свете)! Оказалось, что вид солнечного диска в свете одной линии (например, линии водорода Н-альфа) существенно отличается: незаметные в белом свете детали становятся чрезвычайно контрастными и выпуклыми… Хэйлу удалось получить более трех тысяч фотографий Солнца (спектрогелиограмм) с помощью его спектрогелиографа.

Хэйл обнаружил, что контуры многих линий сильно меняются, если телескоп направлен не на яркую фотосферу Солнца, а на солнечные пятна. Но разрешающая сила его прибора была невелика, и Хэйл задумал построить специальную обсерваторию для солнечных исследований и оснастить ее более совершенной техникой.

Зимой 1903 года Хэйл принял решение о строительстве обсерватории в Южной Калифорнии. Недавно созданный в Вашингтоне Фонд Карнеги пошел навстречу астрофизику, выделив финансирование для его проекта. В течение двух лет – в 1904 и 1905 годах – на гору Маунт-Вилсон был поднят горизонтальный солнечный телескоп (построенный, кстати, на пожертвования некоей мисс Элен Сноу). Так уж вышло, что дерзкие проекты Джорджа Хэйла практически всегда находили спонсоров. Но нет сомнений, что это были не просто поразительное везение и случайная удача (всем бы так!), а результат целенаправленных усилий самого мистера Хэйла, который был не только талантливым ученым, но и великолепным менеджером.

Тяжелое оборудование возили в гору на мулах. Наконец, на юго-восточном склоне 1700-метровой горы телескоп, оснащенный спектрографом, был установлен и введен в строй. Хэйл начал наблюдать и вскоре сделал два выдающихся открытия.

Во-первых, исследуя фраунгоферовы линии солнечных пятен, ученый предположил, что в темных пятнах температура меньше, чем в окружающей их сияющей фотосфере. Чтобы проверить это, Хэйл создал специальную лабораторию, где проводилось экспериментальное изучение влияния температуры на интенсивность спектральных линий. Был открыт ряд закономерностей, которые не оставляли сомнений: пятна, безусловно, «холоднее» окружающего фона!

Во-вторых, Хэйл заметил, что при наблюдениях со спектрогелиографом в свете линии водорода Н-альфа видна окружающая крупные солнечные пятна вихревая структура, которая простирается далеко от них. Эта структура незаметна при наблюдениях в белом свете. Хэйл сообразил, что наблюдаемая картина напоминает вид металлических опилок, помещенных в магнитное поле. Он предположил, что пятна являются местами, где на Солнце находятся сильные магнитные поля. Астрофизик решил проверить, нет ли в пятнах зеемановского расщепления спектральных линий.