Дмитрий Соколов. Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма. М.: Альпина нон-фикшн, 2021. Содержание
От косметологии к космологии
«Этот камень скрывает в себе подобие неба <...> На небе существуют две точки значительнее прочих, поскольку вокруг них, как вокруг осей, вращается небесная сфера, и одна из них называется арктическим или северным полюсом, а другая — антарктическим или южным», — писал французский физик XIII века Пьер Пелерен де Марикур (он же Петр Перегрин) в своем трактате «Послание о магните». Считается, что это первая в истории европейской мысли попытка систематического описания магнитов. Де Марикур тут же находит прикладное применение фундаментальному знанию и представляет проект вечного двигателя, функционирующего на основе магнитных свойств.
Сохранилось более 30 копий труда де Марикура. По понятиям догутенберговой эпохи этот тираж считался крупным — для своего времени трактат был научным бестселлером.
Магнитный perpetuum mobile Пьера де Марикура. Источник: Бродянский В. М. Вечный двигатель — прежде и теперь. М., 1989. С. 22
Спустя три века изучением Epistola Petri Peregrini занялся придворный врач Елизаветы I и Иакова I — Уильям Гильберт, чей исследовательский интерес простирался не только на медицину, но и на физику. Гильберт изучал магнитные и электрические явления в условиях махровой междисциплинарности — его современники, например, использовали толченый магнит в качестве слабительного. Сам физик-врач отзывался о косметическом эффекте намагниченного железа примерно так: «возвращает красоту и здоровье девушкам, страдающим бледностью и дурным цветом лица, так как оно сильно сушит и стягивает, не причиняя вреда».
В 1600 году вышел шеститомный трактат «De magnete, magneticisque corporibus et de Magno Magnete Tellure» («О магните, магнитных телах и большом магните — Земле») — результат 17-летних изысканий Гильберта. Что ж, «космос» и «косметика» — слова исторически родственные, хотя этот небезызвестный факт никак не связан с монографией ученого.
Таким образом, представлению о Земле как о гигантском магните минимум четыре века. Что мы узнали за это время?
В этой истории не без пятен
Сегодня известно, например, что магнитное поле есть не только у Земли, но и у Юпитера, Сатурна и Урана. А вот у Венеры оно скорее мертво, чем живо (очень слабое — 5–10% от земного магнитного поля), хотя по множеству других характеристик Венера очень похожа на нашу планету.
Магнитное поле создается посредством движения жидкого железа и никеля в жидком внешнем ядре Земли — этот процесс называется динамо.
«Само по себе слово „динамо” значит очень немного — то, что магнитные поля создаются движением среды. <...> много раз пробовали придумать альтернативу динамо. Предлагалось, в частности, считать, что есть новое фундаментальное взаимодействие, которое прямо связывает вращение и магнитное поле. Такое явление действительно есть в микромире. Оно связано со спином. <...> В макрофизике такое явление упорно искали, но не нашли», — пишет Дмитрий Соколов.
Работа геодинамо
Центр магнитного диполя (поля с двумя зарядами, равными по величине и противоположными по знаку) смещен относительно земного центра, а его ось наклонена к оси вращения планеты на угол ~ 10° (открытию диполя мы опять же обязаны Гильберту, от изучения слабительных свойств магнита переключившемуся на магнетизм космических тел). Говорят, теоретически во Вселенной могут быть и магнитные монополи, но их пока никто не встречал.
На те же ~ 10° отстоят от географических полюсов геомагнитные полюса — точки пересечения оси диполя с поверхностью Земли. Имеют место и особые случаи — например, Курская магнитная аномалия, связанная с колоссальным месторождением железной руды.
Геомагнитное поле защищает от солнечного ветра — потока заряженных частиц, исходящих от звезды. Вследствие специфической конфигурации линий индукции оно создает для заряженных частиц — протонов и электронов — магнитную ловушку, захватывая и удерживая их.
«Оказывается, магнитное поле может влиять на свойства света. При определенных условиях атомы излучают или поглощают электромагнитные волны в очень узком диапазоне частот (можно сказать, одного цвета) — в некоторой спектральной линии. Если же атом находится в магнитном поле, то спектральная линия распадается на две или несколько линий, соответствующих нескольким разным частотам. В физике принят термин „расщепление спектральных линий“. По тому, насколько велико это расщепление <...>, можно узнать, насколько сильно магнитное поле в точке, где излучается свет. <...> В начале XX в. американский астроном Хейл впервые измерил магнитное поле в солнечных пятнах. Так люди узнали, что Солнце является гигантским магнитом».
Солнце изменяет свою полярность один раз в ~ 11 лет (так называемый цикл Швабе). Также принято выделять удвоенный цикл в ~ 22 года (цикл Хейла), имея в виду, что состояние магнитного поля Солнца возвращается к исходному через два полных 11-летних цикла.
Этот процесс начинается с солнечных пятен — локаций на поверхности звезды, где температура ниже, а магнитное поле, напротив, намного выше средней по поверхности светила. Поднимается столб магнитного потока — пересечение этого столба с поверхностью Солнца и порождает солнечное пятно. Солнечные пятна всегда появляются попарно (потому что диполь) — магнитные силовые линии переходят из одного пятна в другое. Появление больших пятен влечет за собой серьезные последствия. Среди наиболее значительных — вспышки на Солнце, солнечный ветер.
«Есть специальный раздел астрономии — археоастрономия, где подобные сведения собираются, систематизируются и по мере возможности используются для целей астрономии и истории. <...> В итоге совокупные усилия специалистов разных наук позволяют отслеживать и дополнять запись солнечной активности до 10 000 лет. Безусловно, это <...> приблизительная запись. <...> Если вы не король великой страны и не мультимиллионер, решивший потратить все свое состояние на предмет своего увлечения <...>, то поддерживать такой проект в рабочем состоянии вам будет необычайно сложно. Вы пишете первую заявку на грант, объясняете цели своего предприятия. Вам дают деньги на целых три года. Вы пишете блестящий отчет, и вам дают деньги еще на три года. Вы снова пишете отчет, и вам — уже менее охотно — дают деньги еще на три года. Дают их и еще раз, и опять дают, но говорят: нельзя ли заняться чем-нибудь еще <...>? Вы говорите, что на Солнце магнитное поле меняется с периодом в 22 года <...> Ну хоть два-три периода отнаблюдать-то нужно! На вас смотрят как на идиота и спрашивают, давно ли вы смотрели на дату рождения в своем паспорте <...>».
Галактическая взвесь
Говоря о магнитных полях галактик, Дмитрий Соколов останавливается на спиральных галактиках, представляющих собой тонкие диски, вращающиеся вокруг центра.
Наиболее очевидный ингредиент в суповом наборе галактик — звезды. Но ими дело не ограничивается — есть еще межзвездный газ, пыль, наконец, магнитное поле (в основном — в плоскости диска). Вся эта взвесь удерживается взаимным тяготением составных частей, но о четких границах галактик говорить затруднительно. Менее организованная и плотная среда, окружающая диски галактик, называется гало (подробнее о конституции галактик можно прочитать на «Горьком»).
Как отмечает Дмитрий Соколов, галактики прозрачные, поэтому когда мы смотрим поперек галактического диска, то видим, что расположено с обеих сторон от плоскости симметрии. Именно поэтому сложно понять, как устроено магнитное поле по отношению к центральной плоскости или галактическому экватору. Однако есть мнение, что магнитное поле сильнее в экваториальной плоскости и симметрично относительно нее.
«На галактическом диске видны более яркие спирали — спиральные рукава. Из-за этого такие галактики и называются спиральными. Астрономы привыкли обозначать местоположение данного кусочка галактики по имени спирального рукава. Например, мы сами живем в рукаве Ориона, хотя по поводу того, что именно он представляет собой, астрономы ожесточенно спорят <...> Однако все, что мы сейчас знаем о магнитных полях галактик, свидетельствует в пользу того, что они связаны именно с диском, а не с отдельными рукавами».
***
В работе Дмитрия Соколова от математических выкладок читатель избавлен, хотя автор и замечает, что «физика без математики — все равно что голый в метро: можно, но неприлично».
Поэтому у читателя есть возможность спокойно и с ветерком перемещаться от станции к станции, узнавая о магнитных полях нейтронных звезд, джетах (бьющих из центра галактик струй плазмы) и аккреционных дисках.
Воспринимайте это как экскурсионную прогулку. Не самый тривиальный маршрут — особенно с учетом вольницы относительно «дресс-кода» пассажиров.