магнетизм космической пыли

Качели, которые раскачиваются на горке с зубцами, ведут себя странно: без толчков они застревают в первой же впадине, а от ритмичных ударов могут поехать вверх, вниз или замереть. Именно такую картину увидели физики, когда посадили одну пылинку в ловушку с пилообразным дном и начали поочерёдно толкать её лазерными лучами. Пылинка размером 13 микрометров при лёгких толчках разгонялась до 0,95 мм/с.

В холодных глубинах космоса плавают камни, которые старше самой Земли. Внутри некоторых из них прячутся крошечные стеклянные шарики — хондры, миллиметровые сферы, застывшие капли расплавленного силикатного вещества. Они образовались, когда вокруг молодого Солнца ещё кружил протопланетный диск из газа и пыли — та самая «колыбель», из которой позже соберутся планеты.

Космос пронизан магнитными полями. Они есть у галактик, звёзд и даже в почти пустых войдах (огромных пустотах между скоплениями галактик). Обычно считается, что поля усиливаются из слабых «затравочных» полей благодаря турбулентности — как динамо-машина. Но природа самих затравочных полей оставалась загадкой. Новая работа предлагает неожиданный механизм.

Пожарный шланг бьёт в сугроб. Вода не просто расталкивает снег — в месте удара рождаются брызги, пар и грохот. Примерно так же ведут себя джеты — узкие струи вещества, вылетающие из окрестностей чёрной дыры на огромной скорости. Когда такая струя врезается в облако межзвёздного газа, она не протыкает его насквозь, а создаёт ударную волну, сжимает газ и заставляет его светиться.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро стремительно сжимается — коллапсирует, порождая чёрную дыру, окружённую аккреционным диском из раскалённой плазмы. Чтобы из этого диска вырвались узкие релятивистские струи — джеты, необходимо крупномасштабное упорядоченное магнитное поле.

Пыльная буря, которая не утихает миллионы лет, бушует не в пустыне, а между звёзд. Там плавают облака разреженного газа, пронизанные магнитными полями. Эти поля выстраивают пылинки, как стрелки компаса, вдоль силовых линий. Когда такая пыль излучает, свет от неё становится поляризованным — он колеблется в одной плоскости, словно верёвка, которую встряхнули только вверх-вниз.

Нейтронная звезда — это бывшее ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. В её сердцевине вещество спрессовано так плотно, что атомы перестают существовать, а протоны и нейтроны растворяются в море кварков.

В тёмных, холодных облаках межзвёздного газа астрономы уже несколько лет замечают ароматические молекулы — соединения, в основе которых лежит бензольное кольцо (шестиугольник из атомов углерода), как в знакомом нам бензоле.

Огромное тёмное облако газа раскинулось по молодой Вселенной. Внутри него, словно невидимые пальцы, пронизывают магнитные силовые линии, оставшиеся от самого рождения мира. Эти поля действуют на заряженные частицы, подталкивая их друг к другу — как лёгкий ветер, сгоняющий опавшие листья в кучки.

Когда массивная звезда взрывается сверхновой, её внешние слои разлетаются в пространство со скоростью тысячи километров в секунду. Возникает ударная волна — гигантский невидимый вал, который сгребает межзвёздный газ и пыль, как бульдозер.

В большом облаке газа, где рождаются звёзды, силовые линии магнитного поля выстроены примерно в одном направлении — как волокна в куске войлока. Но стоит заглянуть внутрь, в плотные сгустки, из которых потом получатся звёзды, и картина меняется: там линии закручены в разные стороны, словно клубок ниток после игры котёнка. Астрономы измерили направления поля в 79 таких сгустках в 14 разных облаках.

Во время грозы небо работает как гигантская батарейка: в облаке копится электрический заряд, и разряд молнии его сбрасывает. Заряд этот невидим, но его чувствуют космические частицы — мюоны, которые постоянно сыплются на Землю из космоса. Пролетая сквозь заряженное облако, мюон слегка ускоряется или тормозится, и по этим изменениям можно судить о напряжении в облаке.

В тёмном облаке G351, где из газа и пыли вот-вот появятся новые звёзды, магнитное поле изогнулось, как песочные часы. Такая форма — след того, что поле не просто наблюдает за рождением звёзд, а активно участвует в нём. Учёные использовали телескоп SOFIA, установленный на самолёте, чтобы увидеть пыль в облаке.

Белый карлик — это то, что остаётся от звезды вроде Солнца после того, как она сбрасывает внешние слои. Остаётся горячее ядро размером с Землю, но с массой, близкой к солнечной. Чайная ложка такого вещества весила бы как грузовик. Некоторые из этих звёзд обладают очень сильными магнитными полями — в миллиард раз мощнее земного.

В тёмном облаке L43, где рождаются звёзды, пылинки кружатся, как крошечные компасы. Свет от молодой звезды толкает их, а магнитное поле выстраивает в определённом направлении. Когда пылинка повёрнута к нам боком, её тепло приходит к нам поляризованным — как свет, прошедший сквозь узкую щель.

Молодая планета в газовом диске напоминает пловца, который пытается плыть против течения: трение о газ тормозит её, и она по спирали приближается к звезде. Для небольших каменистых планет такое падение может занять меньше времени, чем нужно для их роста. Но в диске есть и встречные потоки — вихри, которые могут подталкивать планету наружу. Учёные построили компьютерную модель диска вокруг молодой звезды.

Пылинка в межзвёздном пространстве — как крошечный компас. Внутри неё сидят вкрапления магнитного минерала, которые заставляют пылинку поворачиваться вдоль невидимых силовых линий магнитного поля. От того, насколько послушно пылинки выстраиваются, зависит, как они поляризуют свет далёких звёзд и что за излучение испускают.

В холодных облаках газа и пыли, где когда-нибудь зажгутся звёзды, часть атомов потеряла электроны и стала заряженной. Заряженные частицы чувствуют магнитное поле, а нейтральные — нет, поэтому одни проскальзывают сквозь другие, как вода сквозь сито. Астрономы измерили скорость этого проскальзывания: около ста метров в секунду. Немало — быстрее гоночной машины. Но почему именно столько?

Ночное небо светится не только звёздами. Между ними разлито слабое микроволновое сияние, которое астрономы замечают уже три десятилетия, но не могут объяснить. Одна из идей: виноваты полициклические ароматические углеводороды — молекулы, похожие на крошечные хлопья сажи, которые крутятся в пространстве и, как крошечные антенны, испускают радиоволны.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила краткий, но бурный период — инфляцию, когда она расширялась с колоссальной скоростью. Эту концепцию выдвинул Алан Гут. Тогда же в стремительно остывающем космосе родились частицы обычного вещества.

Космическая пыль — это не грязь, а мельчайшие крупинки, похожие на сажу от костра, только разбросанные между звёзд. Некоторые из них крутятся с бешеной скоростью, миллионы раз в секунду, и при этом испускают слабые радиоволны. Астрономы называют это аномальным микроволновым излучением — оно мешает изучать раннюю Вселенную, но и само по себе загадочно.

Без невидимого каркаса из тёмной материи галактики разлетелись бы на части под действием центробежных сил. Астроном Вера Рубин ещё в 1970-х, измеряя скорости вращения звёзд в галактиках, доказала: они движутся так, словно их удерживает огромная незримая масса, распределённая далеко за пределами видимого диска.

Сто лет назад магнитные обсерватории записывали лишь медленные дыхания земного ядра. Сегодня их данные превращаются в охотничьи угодья для физики частиц. В обсерватории Эскдалемюр на севере Англии каждую сотую долю секунды фиксируются колебания магнитного поля. Десять лет таких записей — 9909 восьмичасовых сегментов — стали ловушкой для призрака: тёмного фотона.