ионосфера

Представьте гитарную струну, зажатую между двумя порожками. Если ударить по ней, возникнет стоячая волна: одни точки струны колеблются сильно, а другие, узлы, остаются почти неподвижными. Примерно так же ведёт себя хромосфера — слой солнечной атмосферы, зажатый между фотосферой и короной.

На Солнце существуют спокойные области, где магнитное поле настолько слабое, что его почти невозможно зарегистрировать. Однако даже там акустические волны — колебания плазмы, подобные звуковым волнам в воздухе, — находят каналы для подъёма в верхние слои атмосферы.

Пульсар PSR J1740+1000 — это нейтронная звезда размером с город, вращающаяся быстрее кухонного блендера. После взрыва сверхновой от неё осталось сверхплотное ядро, разгоняющее заряженные частицы до скоростей, близких к световой.

Свет от квазара J0744+2052 летел к нам почти 12 миллиардов лет. На пути он натыкался на облака водорода, которые вытягивали из спектра отдельные линии — как гребёнка прореживает тонкие частоты. Астрономы называют эту картину лесом Лайман-альфа. Но в этой кажущейся хаотичности неожиданно проявился порядок.

Солнце — кипящий котёл водорода и гелия, где раскалённый газ пойман в магнитные силки. Когда невидимые жгуты пересоединяются, освобождается энергия, сравнимая с миллиардами термоядерных взрывов. Куда она девается?

Толпа людей заперта в узком коридоре между двумя рядами зеркал. Время от времени кто-то с силой толкает стену, и по коридору прокатывается гул — так и в плазме галактических скоплений появляются волны-свисты и ионно-циклотронные волны. Их создают заряженные частицы, оказавшиеся в ловушке магнитных ям (областей с ослабленным полем, где частицы отражаются, как от зеркал).

Гравитационные волны — это дрожь пространства-времени, порождаемая космическими катаклизмами: слияниями чёрных дыр и нейтронных звёзд.

На высоте около 70 километров расположена ионосфера — разреженный слой атмосферы, ионизированный солнечным излучением. Для радиоволн она работает как гигантское зеркало: наземные антенны постоянно излучают сигнал вверх и принимают его отражение.

Крона огромного дерева шевелится на ветру, но корни и ствол скрыты под землёй. На Солнце роль таких невидимых корней играют магнитные поля. Они выходят из глубин, пронизывают всю атмосферу и управляют движением раскалённого газа — плазмы. Увидеть эту связь напрямую очень трудно, особенно в верхних слоях, где магнитные силы должны доминировать над газовыми.

Магнитное поле планеты похоже на невидимый щит: оно ловит заряженные частицы солнечного ветра и вытягивается за планетой в длинный хвост, как развевающийся шарф. У Земли этот хвост устроен просто: в середине, вдоль экватора, течёт слой плазмы — заряженного газа, а по бокам, ближе к полюсам, — почти пустые области, где магнитные линии открыты в космос.

В холодном газовом облаке, где рождается звезда, химия спит. Молекулы почти не сталкиваются, реакции замирают. Но если через облако пролетает заряженная частица, она выбивает электроны из атомов — ионизирует их. Так в спящем облаке появляются активные ионы, готовые строить новые молекулы.

Газовый пузырёк в воде — это не просто безмолвная сфера, а акустический резонатор, поющий благодаря эффекту, известному как резонанс Минарта. Массивная жидкость сдерживает быстрое сжатие пузырька, вынуждая его стенки вибрировать на характерной частоте.

Поверхность Европы — ледяная броня, которую непрерывно обстреливают заряженные частицы из магнитосферы Юпитера. Электроны врезаются в кристаллическую решётку льда, теряют энергию и запускают химические реакции. Раньше не было инструмента, который бы показывал, насколько глубоко такая бомбардировка прошивает лёд. Теперь он появился.

Свет от далёкой галактики летел к нам 13,4 миллиарда лет. Телескоп Джеймса Уэбба поймал его и разложил на цвета. В спектре видна яркая линия водорода — как отпечаток пальца, который говорит: галактика GS-z13-1-LA активно рождает звёзды. Молодые горячие звёзды внутри галактики работают как прожекторы.

Над полюсами Юпитера бушуют полярные сияния — там электроны разгоняются электрическими полями и врезаются в верхние слои атмосферы, заставляя газ светиться. Но не все электроны летят вниз. Часть из них, как выяснилось, получает толчок в противоположную сторону — прочь от планеты, вглубь космоса.

Если окружить звезду гигантской оболочкой, мы получим сферу Дайсона — конструкцию, поглощающую всё излучение светила и переизлучающую его в инфракрасном диапазоне, то есть в виде тепловых волн. Такие объекты пока не обнаружены, но астрономы знают: искать их следует именно по этому тепловому сиянию.

Солнечная вспышка — это как гигантская пружина, которую скручивали, скручивали, а потом она резко распрямилась. Энергия, накопленная в магнитном поле, за минуты выбрасывается в пространство, разогревая плазму до миллионов градусов. Но что именно происходит в этот момент внутри петли раскалённого газа, до сих пор было видно лишь в плоских проекциях. Теперь астрономы собрали трёхмерную картину.

Раскалённый газ, который течёт от Солнца, — это не сплошной поток, а скорее суп из заряженных частиц. В этом супе то и дело закипают волны: электрические поля вспыхивают и гаснут, как рябь на воде от брошенного камня. Одна из таких волн — ионно-ионная акустическая. Она возникает, когда два сорта ионов (атомов, потерявших электроны) движутся с разной скоростью.

В холодных облаках межзвёздного газа углерод прячется в молекулах угарного газа (CO), как сахар, растворённый в чае. Но рядом с горячими массивными звёздами этот «чай» вскипает: жёсткое излучение разрывает молекулы, и углерод выходит наружу одиночными атомами или ионами.

Солнечный ветер — не спокойный ручей, а бурлящая плазма из заряженных частиц. Зонд Parker Solar Probe, нырнув к самому Солнцу, зарегистрировал два типа волн-размешивателей. Левозакрученные волны, подобно венчику в руке повара, взбивают вещество, когда температура вдоль и поперёк движения различается.

Луна — не просто безжизненный каменный шар, а естественный гравитационно-волновой резонатор, подобный гигантскому колоколу. Проходя сквозь неё, гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени — вызывают слабые, почти неуловимые колебания всей лунной массы.

Луна — не просто спутник, а потенциальный гравитационный колокол. Когда массивные тела сталкиваются, пространство-время дрожит, и эта дрожь — гравитационные волны — заставляет колебаться всё, что встречает на пути. На Земле такие колебания тонут в сейсмическом шуме ниже 10 Гц, а в космосе антенна LISA слышит лишь миллигерцы.

Радиотелескоп РАТАН-600 — это кольцо из сотен алюминиевых панелей на склоне горы в Карачаево-Черкесии. Весной 2018 года его зеркало ловило радиоволны от шестнадцати красных карликов — маленьких, тусклых, но очень долгоживущих звёзд.