магнитное динамо

Оркестр без дирижёра: каждый музыкант настраивается по соседу, и так рождается слаженная мелодия. В мире микроскопических магнитов роль такого оркестра играет крошечный шар из неодима, парящий над сверхпроводящей плёнкой. Его колебания, если их правильно возбудить, складываются в стройный спектр из десятков равноотстоящих частот — как зубцы гребёнки.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Так и ёмкостный гироскоп: чтобы услышать нанометровое смещение грузика, ему нужны идеально выверенные зазоры между пластинами. Чем меньше датчик, тем труднее удержать эту точность. Инженеры давно ищут другой способ слушать движение.

Солнце дышит, и у этого дыхания есть магнитный ритм. Каждые 27 дней видимая поверхность звезды совершает полный оборот, а вместе с ней — и её магнитное поле, похожее на невидимую ленту, что обвивает светило.

В тонкой плёнке из кобальта и железа, нанесённой на кремниевую подложку, формируется крошечный магнитный вихрь — скирмионоподобная структура, называемая магнитной каплей. Он не разлетается, а удерживается на месте, подобно капле масла на горячей сковороде, где роль жара играет электрический ток, пропущенный через узкий перешеек шириной порядка сотни атомов.

Солнечный ветер — это непрерывный поток заряженных частиц, истекающий с поверхности Солнца и заполняющий всю гелиосферу. Это не однородный бриз, а турбулентная среда с вихрями, порывами и зонами затишья.

В солнечной короне — внешней, крайне разреженной и горячей оболочке Солнца — время от времени наблюдается удивительное явление: корональный дождь. Только вместо воды с неба падает плазма — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц.

27 дней на экваторе, 32 у полюсов. Пять суток разницы — и за год экватор убегает вперёд почти на неделю. Газовый шар диаметром 1,4 миллиона километров крутится словно многослойная юла: слои движутся каждый со своей скоростью.

Ветка падает в водоворот. Её крутит и ломает, но иногда из центра вырывается мощный фонтан воды. Примерно так же чёрная дыра разрывает пролетающую мимо звезду, и порой после этого в космос бьёт ослепительная струя плазмы — джет.

Загадка радиусной долины — резкий провал числа экзопланет с радиусом ~1,8 земного — не даёт покоя астрономам. JWST, транзитные обзоры Kepler и TESS рисуют чёткий пробел: каменистые суперземли и газовые субнептуны разделены почти пропастью.

Внутри планет и звёзд, во вращающихся океанах плазмы, сталкиваются турбулентные потоки, силы Кориолиса и магнитное натяжение. Главная интрига — как энергия этого хаоса кристаллизуется в устойчивый магнитный каркас, способный просуществовать миллиарды лет.

В огромных облаках разреженного газа, заполняющих пространство между звёздами, постоянно что-то бурлит. Взрывы сверхновых, сталкивающиеся потоки — всё это встряхивает плазму. И в этой ряби, как выяснилось, прячется механизм рождения магнитных полей. Плазма — это газ, в котором электроны оторваны от атомов.

Почти сто лет сейсмология оставалась главным рентгеном планеты, прощупывая недра через упругие волны. Но нейтрино — частицы-призраки, предсказанные Вольфгангом Паули, — предлагают иной взгляд.

Когда физики прогоняют электроны по сверхчистому каналу арсенида галлия при гелиевых температурах, они рассчитывают увидеть послушную, почти идеальную жидкость. Но с ростом тока сопротивление начинает капризничать: на графиках возникают горбы и провалы, упрямо не укладывающиеся в простую ньютоновскую модель.

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.

Космические лучи не летят по прямой. Заряженные частицы, разогнанные до огромных скоростей, петляют в магнитном поле Галактики, словно пылинки в потоке ветра. Обычно считается, что они просто рассеиваются вдоль и поперёк силовых линий.

Магнитное поле Земли похоже на невидимый щит, который защищает нас от космической радиации. Но если присмотреться к его усреднённому за долгое время рисунку, можно заметить, что щит этот не идеально гладкий — на нём есть свои «швы» и «заплатки».

Сразу после Большого взрыва космос был горячей плазмой — смесью заряженных частиц и света. В такой среде электрические токи не могли течь сами по себе: нужна была «разность потенциалов», толкающая электроны относительно фотонов. Именно её ищут в теориях космологического магнитогенеза — рождения первых магнитных полей.

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.

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.

В раскалённой солнечной короне, где температура скачет за миллион градусов, плавают холодные плотные облака — солнечные протуберанцы. Они висят неделями, не падая и не растворяясь, словно айсберги в кипящем океане. Как они там оказались — вопрос, который мучил астрономов десятилетиями.

Клетка, которая собирается разделиться, сначала намечает на себе талию. Под её оболочкой, в тонком геле из белковых нитей, начинается движение. Нити текут, как медленная река, и в середине клетки образуется пояс. Этот пояс сжимается всё сильнее, пока клетка не перешнуруется пополам. Учёные построили компьютерную модель этого процесса.

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.

Поток раскалённого газа мчится от звезды — и вдруг глохнет, словно налетев на невидимую стену. Именно это увидели исследователи, когда попробовали воспроизвести звёздный выброс в лабораторном масштабе. Они взяли лазер, создали струю плазмы и пустили её через магнитное поле — сначала слабое, а потом сильное, как у многих звёзд.

Магнитные поля на поверхности Солнца видны как тёмные пятна и яркие факелы. Но рождаются они глубоко внутри, где потоки раскалённого газа работают как гигантская динамо-машина. Вопрос в том, можно ли по пятнам на поверхности предсказать, что произойдёт внутри звезды через несколько лет.

Внутри Земли есть твёрдое железное ядро размером с Луну. Оно плавает в жидком металле и слегка покачивается — как косточка в персике, если потрясти плод. Такие покачивания называют слейтеровскими модами: ядро смещается то вдоль оси планеты, то поперёк. Движение тормозят сразу три силы. Вязкая жидкость обволакивает ядро, как патока ложку. Вращение Земли заставляет жидкость двигаться по спирали.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) всё чаще обращает свой взор на экзопланеты — миры, вращающиеся вокруг далёких звёзд. Среди них встречаются раскалённые каменные шары, всегда обращённые к своему светилу одной стороной. На дневной стороне температура столь высока, что горные породы плавятся, образуя океаны жидкой лавы.

Когда пекарь замешивает тесто, по крупинкам муки можно сказать, с какой мельницы она привезена. Так и с Землёй: состав железа в её недрах хранит память о том, где родились те куски, из которых планета собралась.

В большинстве магнитных материалов доменная стенка — граница между областями с разной намагниченностью — под действием тока движется в одну сторону, заданную направлением тока. Но в ферримагнетиках вблизи особой точки, где угловые моменты двух подрешёток компенсируют друг друга, поведение меняется.

Корона Солнца похожа на лохматый одуванчик: яркие лепестки-петли удерживают горячий газ у поверхности, а между ними в космос уходят длинные разреженные струи. Эти струи — гелиосферный токовый слой — тянутся через всю Солнечную систему. Но как именно плазма переходит из замкнутых петель в открытый поток, оставалось загадкой.

Звезда GJ 504 — почти двойник нашего Солнца по возрасту — демонстрирует необычайно резвое вращение: полный оборот она совершает всего за 3,4 земных дня, при этом активно излучая в рентгеновском диапазоне. Для сравнения: типичные звёзды-ровесницы Солнца вращаются куда медленнее, словно утратив былую энергию.

Если бросить камень в пруд, по воде пойдут круги. В крошечном магнитном кристалле тоже бывают волны — только колеблется не вода, а направление намагниченности. Такие волны называют спиновыми. Они бегут по кристаллу, как рябь по поверхности, и могут переносить информацию. Физики взяли пластинку из иттриевого феррита-граната — это прозрачный оранжевый кристалл, который любят за чистоту магнитных колебаний.

На Солнце то и дело происходят взрывы, которые выбрасывают в космос огромные облака заряженных частиц. Такое облако летит к Земле и может вывести из строя спутники, нарушить радиосвязь и даже оставить города без электричества. Учёные долго не могли понять, почему эти выбросы начинаются не сразу, а как будто медлят перед броском.

Солнце — не спокойный шар, а кипящий котёл, который живёт по своим ритмам. Примерно раз в 11 лет его активность достигает пика: на поверхности появляется больше тёмных пятен, а в космос летят потоки заряженных частиц. Но внутри этого большого цикла прячется более короткий — около 1,7 года.

Солнечная вспышка — это как внезапное распрямление туго скрученной пружины. В короне Солнца накапливается энергия в искривлённом магнитном поле, а потом она резко высвобождается, разгоняя частицы и нагревая плазму. Но увидеть, как именно меняется само магнитное поле во время вспышки, удаётся редко: нужны специальные наблюдения.

Молодая звезда окружена плоским вращающимся диском из газа и пыли — это строительная площадка будущих планет. Диск живёт своей жизнью: газ течёт к звезде, пыль слипается в комки, а снаружи на всё это давит жёсткий ультрафиолет от соседних горячих звёзд, как ветер сдувает листья с дорожки.

Вокруг молодых звёзд кружатся плоские облака из газа и пыли — из них потом собираются планеты. Чтобы вещество в таком диске слипалось в комки, оно должно постоянно перемешиваться. Но что заставляет газ двигаться хаотично, если сам по себе он спокоен? Часть ответа кроется в том, что газ в диске почти не проводит электричество — он слабо ионизирован.

Внутри планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, тепло не всегда поднимается свободно. Тяжёлые элементы, которых больше в одних слоях и меньше в других, не дают горячей жидкости всплывать. Возникает полуконвекция — перемешивание, при котором тепло и состав распространяются с разной скоростью.

Солнце вращается не как единое целое: его экватор делает оборот быстрее, чем полюса. Эта разница в скорости вращения создаёт слои, которые движутся с разной скоростью — как течения в океане на разных глубинах. Учёные давно подозревали, что именно эти течения отвечают за магнитное поле Солнца, но не могли точно сказать, где именно оно рождается.