геометрия плазмы магнитара

В двойной звезде белый карлик, как пылесос, стягивает газ с соседней звезды. Если у карлика есть магнитное поле, газ не падает куда попало, а стекает к полюсам, как железные опилки к магниту. Там он накапливается кучей. Но что удерживает эту кучу от расползания? Магнитные силовые линии, которые пронизывают её, как невидимые канаты.

Два танцора на одной сцене: один тянет партнёра в одну сторону, другой — в противоположную. В кристалле Cu2(OH)3Br, известном как боталлакит, атомы меди выстраиваются в цепочки, где спины (магнитные моменты) соседних ионов то выстраиваются параллельно, как в ферромагнетике, то антипараллельно, как в антиферромагнетике.

Скульптор смотрит на глыбу мрамора и видит в ней фигуру, которую нужно освободить от лишнего. Вместо того чтобы добавлять глину, он убирает всё, что не относится к форме. Похожим путём пошли авторы новой работы по магнитному резонансу: они не стали усложнять модель ткани, добавляя в неё всё новые детали, а наоборот, отбросили лишнее, чтобы выявить самую суть.

Медная пластинка размером с монету испаряется под ударом лазера за миллиардные доли секунды. Горячее облако меди врезается в холодный гелий, как струя пара в морозный воздух. На снимках виден чёткий пузырь с тонкими нитями по краям — плазма не расширяется ровно, а распадается на волокна толщиной с человеческий волос.

Белый карлик — это остывающее ядро звезды вроде Солнца. Его судьбу решает масса: существует чёткий предел Чандрасекара (около 1,4 солнечной), после которого звезда сжимается дальше.

Магнитное зеркало — это открытая с обоих концов труба, в которой магнитное поле устроено так, чтобы удерживать горячую плазму — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц. На концах поле сгущается, образуя «пробки»: частицы, летящие к выходу, отражаются от этих областей и возвращаются обратно.

Радиус звезды падает на тысячу километров. Не потому, что выросла её масса, а потому что собственное магнитное поле сдавило кору, словно невидимый корсет. В центре такого объекта — странный карлик — прячется кварковое ядро: сфера из странной материи весом с Солнце, но диаметром всего в три-четыре километра.

10¹⁵ Гаусс — такое магнитное поле обнаружили у некоторых белых карликов. Оно в миллиарды раз сильнее того, что показывает компас на Земле. Белый карлик — не звезда в привычном смысле, а остывшее ядро размером с планету. Внутри него гравитация противостоит давлению вырожденных электронов.

Магнитное поле в 42 тесла — примерно в миллион раз сильнее поля Земли. В таком поле кристалл SrCu₂(BO₃)₂ ведёт себя необычно: его намагниченность растёт не плавно, а скачками, замирая на определённых значениях. Раньше считалось, что такие плато возникают, когда спины электронов (их крошечные магнитные стрелки) выстраиваются по строгому геометрическому узору — как солдаты в строю.

Водопад, который не нагревается от падения, а замерзает, — примерно так ведёт себя газ, стекающий на нейтронную звезду в рентгеновском пульсаре, когда звезда светит тускло. Обычно падающая материя раскаляется добела, но новая работа показывает обратное.

В кристалле, который столетиями называли «золотом дураков», физики разглядели подлинное сокровище. Соединение MnTe2 с пиритной структурой стало сценой для квантового балета: спиновые волны здесь закручиваются в лево- и правосторонние вихри, причём направление закрутки намертво связано с импульсом.

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.

Свет от далёкого блазара (активного ядра галактики, бьющего струёй в нашу сторону) идёт к нам миллиарды лет. В пути он порождает ливни заряженных частиц, которые межгалактическое магнитное поле отклоняет в стороны. Так вокруг блазара на небе возникает размытое гамма-свечение — вторичный ореол. Чем слабее поле, тем шире ореол.

Мёртвая звезда с магнитным полем в миллиарды раз сильнее земного — это магнитар. Её кора трескается, и в пространство уходит мощный рентгеновский всплеск. Но часть этого света не долетает до нас в привычном виде. В сверхсильном поле фотоны могут превратиться в гравитационные волны — дрожь самого пространства.

Солнечное пятно остывает, и над ним на недели зависает тёмное волокно — протуберанец. Внутри него, как сжатая пружина, прячется магнитное поле. Оно может быть уложено ровными арками, а может — скручено в тугой канат. От этой разницы зависит, когда и как рванёт: канат нестабильнее и готов взлететь при малейшем толчке.

Красные гиганты — это раздувшиеся стареющие звёзды, исчерпавшие водород в ядре. В их недрах бурлит океан плазмы: тепло пробивается от ядра к поверхности, рождая волны, похожие на могучий прибой. Магнитное поле внутри звезды работает как невидимый подводный рельеф — оно направляет эти волны, меняет их высоту и скорость.

Нейтронные звёзды — сверхплотные остатки массивных звёзд, прошедших гравитационный коллапс. Некоторые из них наблюдаются как пульсары — быстровращающиеся источники периодических радиовспышек, работающие подобно космическим маякам. Их внутреннее устройство долго оставалось загадкой.

Внутри нейтронной звезды материя сжата так сильно, что атомные ядра слипаются в длинные тяжи и плоские листы. Астрофизики называют эти структуры ядерными макаронами. На их поверхности плотность вещества падает почти до нуля — как если бы вы вынырнули из густого киселя в разреженный воздух. Именно этот резкий перепад и создаёт необычный эффект.

Нейтронная звезда — это шар размером с город, но с массой, как у целого Солнца. Магнитное поле там способно разорвать атомы на расстоянии в тысячи километров.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была кипящим котлом. Но затем, согласно новой гипотезе, она на короткое время резко остыла — намного сильнее, чем считалось раньше. В этом ледяном мире частицы тёмной материи, похожие на крошечные маятники, замерли и не начинали свои колебания.

Обычный магнит всегда держит при себе два полюса — северный и южный. Разломи его пополам, и каждый осколок тут же обзаведётся собственной парой. Но глубоко в теории частиц живёт странный образ: монополь — частица, несущая лишь один магнитный заряд, одинокий полюс без напарника.

В кастрюле с кипящим супом время от времени вспыхивают крошечные капли жира — в сотню раз горячее бульона. Примерно так устроена будущая термоядерная плазма: основная масса ионов греется до сотен миллионов градусов, а небольшая примесь «быстрых» частиц (рождённых при слиянии ядер) разогнана ещё сильнее.

Два стремительных потока заряженных частиц сталкиваются — и магнитные силовые линии начинают рваться и пересоединяться. Этот процесс питает вспышки на Солнце и полярные сияния. Обычно считалось, что все частицы ведут себя одинаково, как пули из одного ружья. Но у каждой частицы есть крошечный волчок — собственное вращение, или спин.

Магнитное поле в плазме подобно натянутой мыльной плёнке: внутреннее давление стремится её расширить, а поверхностное натяжение — стянуть, придавая устойчивую форму. В плазме эту роль исполняют магнитные силы: магнитное давление и магнитное натяжение уравновешивают друг друга, создавая хрупкое равновесие.

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.

На нейтронную звезду — сверхплотный остаток взорвавшейся звезды — падает газ. Этот газ накапливается на магнитных полюсах и образует гору. Но гора на нейтронной звезде не похожа на земную: она удерживается не камнем, а силовыми линиями магнитного поля, как железные опилки на магните. Когда газа становится слишком много, гора начинает разрушаться.

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.

Раньше астрономы рассчитывали массу галактик, упрощая их форму до идеальных сфер. Но галактика — это не шар, а плоский диск, похожий на гигантский блин. Новая модель «Потерянное и найденное» учитывает эту реальную геометрию: она суммирует гравитационное притяжение от всех частей диска, а не только от центральной выпуклости (балджа).

Центр нашей Галактики — это переполненная кухня, где одновременно кипят несколько блюд, и пар от них смешивается в один клуб. Рентгеновские лучи от остатка взорвавшейся звезды, от звёздного ветра вокруг сверхмассивной чёрной дыры и от горячего газа между звёздами накладываются друг на друга.

Магнетар — это нейтронная звезда с магнитным полем в сотни миллионов раз сильнее, чем у Земли. Если поднести к такому полю обычный магнит, он мгновенно размагнитится, а атомы вытянутся в тонкие нити.

Мощный лазер бьёт по крошечной мишени — и та мгновенно превращается в облако раскалённого газа, плазмы. В этом облаке сами собой рождаются магнитные поля. Они, как невидимые руки, мешают теплу свободно уходить из горячего центра.

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.

Край магнита работает как порожек гитары: струна, прижатая у самого края, звучит иначе, с более богатым набором обертонов. Примерно так же ведут себя магнитные волны в тонкой полоске из никеля и железа. Физики измерили, как волны намагниченности, бегущие по этой полоске, порождают волны с удвоенной и утроенной частотой.

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 куске оксида марганца толщиной в несколько атомных слоёв электроны ведут себя как толпа на эскалаторе: каждый движется по своим правилам, но вместе создают общий поток. Физики направили на такую плёнку мягкое рентгеновское излучение и выбили электроны наружу.

Нейтронная звезда — это город размером с мегаполис, сжатый до размеров небольшого астероида. Вокруг неё кипит плазма — газ из заряженных частиц, сквозь который бегут волны, как рябь по поверхности пруда. Волны бывают трёх сортов: альфвеновские (A), обыкновенные (O) и необыкновенные (X).

Нейтронная звезда размером с город крутится быстрее кухонного блендера и швыряет вокруг себя частицы. Вокруг неё возникает светящееся облако — его называют пульсарным гало. Форма этого облака зависит от невидимых магнитных полей, которые, как течения в океане, направляют частицы.

Солнце — не спокойный шар. Внутри него постоянно гуляют волны, как в колоколе после удара. Эти колебания выходят на поверхность и выдают, что происходит на обратной, невидимой стороне. Астрономы давно умеют «слушать» этот звон и находить там большие группы пятен. Но до сих пор не могли сказать главного: где у пятна северный магнитный полюс, а где южный.

Радиотелескоп VLA всматривался в туманность Бумеранг — облако, раздутое ветром от быстрой вращающейся нейтронной звезды. На новых снимках проступили детали размером с лунный диск на небе: вытянутое ядро вокруг пульсара и длинная дуга, огибающая его с севера.