Эффекты магнитного излучения описывают, как магнитные поля изменяют поведение электромагнитного излучения — меняя его поляризацию, интенсивность, направление или даже вероятность испускания фотонов. В астрофизических контекстах сильные магнитные поля вокруг нейтронных звезд или магнитаров могут искривлять пути света, расщеплять спектральные линии и порождать экзотические явления, такие как вакуумное двулучепреломление. Эти эффекты также важны в лабораторной физике плазмы, где магнитные поля удерживают и формируют излучение заряженных частиц.
История
Теоретические основы были заложены Хендриком Лоренцем и в дальнейшем развиты квантовой электродинамикой в 1930-х годах; первые наблюдательные свидетельства магнитных эффектов на поляризацию звездного света появились в 1940-х годах.
Как это работает
Когда фотоны проходят через магнитное поле, они могут взаимодействовать с виртуальными электрон-позитронными парами, которые поле поляризует, заставляя сам вакуум вести себя как кристалл с разными показателями преломления для разных поляризаций. Это приводит к таким эффектам, как вращение Фарадея, когда плоскость поляризации поворачивается, или эффектам Коттона-Мутона в плазме. При излучении магнитные поля заставляют заряженные частицы двигаться по спирали, порождая синхротронное излучение с характерной поляризацией и спектром. Сильные поля могут даже подавлять или усиливать определенные квантовые переходы, изменяя энергии испускаемых фотонов.
Где применяется
Используется в диагностике плазмы в термоядерных реакторах, в астрофизических измерениях космических магнитных полей посредством поляризации, а также при проектировании источников синхротронного света для материаловедения.
Любопытный факт
Магнитары — нейтронные звезды с магнитными полями в тысячу триллионов раз сильнее земного — могут искривлять рентгеновские лучи настолько, что фотоны, испущенные с одной стороны звезды, становятся видимыми с другой стороны.
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.
Свет, рождающийся при влёте быстрого электрона в материал, обычно считают изотропным — одинаковым во всех направлениях. Но в кристаллах, где оптические свойства зависят от направления, это не так. Проведите рукой по бархату: в одну сторону он гладкий и блестит, в другую — тёмный и шероховатый. Так и кристалл по-разному реагирует на свет в зависимости от своей ориентации.
Свет от самой горячей стадии Вселенной летит к нам почти 14 миллиардов лет. Это реликтовое излучение — слабое свечение, заполняющее всё небо, своего рода «эхо» Большого взрыва. Недавно астрономы заметили странность: его поляризация — направление колебаний электрического поля — оказалась повёрнута примерно на 0,3 градуса.
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.
Маяк в открытом море не только вращается — его лампа сама по себе то тускнеет, то разгорается. Примерно так ведут себя магнитные белые карлики, сверхплотные остатки звёзд вроде нашего Солнца. Их мощные магнитные поля способны превращать свет в аксионы — гипотетические частицы, которые могли бы объяснить скрытую массу Вселенной.
Вспышка длится тысячную долю секунды, но за это мгновение выбрасывает столько энергии, сколько Солнце излучает за день. Такие сигналы — быстрые радиовсплески — ловят телескопы с 2007 года, а их источник остаётся загадкой. Новая работа предлагает элегантный ответ: всё дело в космическом усилителе.
Солнце — не просто источник света, а гигантская лаборатория, где рождаются частицы-призраки. Каждую секунду сквозь ваше тело пролетают миллиарды нейтрино, почти не замечая вас. Но внутри Солнца эти частицы ведут себя иначе: они меняют свой тип на лету, словно актёр, играющий три роли в одной пьесе.
Нейтрино бывают трёх сортов — электронные, мюонные и тау-нейтрино.
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.
Ребёнок на качелях: слишком сильный толчок — и он вылетает. Примерно так мощный свет вырывает электроны из атома. Казалось бы, чем сильнее толчок, тем вернее разрушение. Но в квантовом мире всё иначе: когда сила поля переходит некий порог, атом внезапно замирает. Его электронное облако перестаёт разлетаться и становится устойчивее.
Две нейтронные звезды — сверхплотные остатки массивных светил — кружатся в последнем танце. Если их собственное вращение совпадает с движением по орбите, партнёры сливаются аккуратно, выбрасывая узкий луч раскалённого вещества. Если же они крутятся навстречу — танец ломается, разбрасывая густую пелену обломков.
Две нейтронные звезды — остатки погибших светил, сжатые до размеров города, но весом с целое Солнце — кружатся друг вокруг друга и в конце концов сталкиваются. В этот миг рождается нечто среднее между чёрной дырой и сверхмощным магнитом: поле в миллиарды раз сильнее, чем в самом мощном магнитно-резонансном томографе.
Луч фонарика скользит по неровному стеклу. Стекло — это массивные скопления галактик, а фонарик — древний свет, рождённый вскоре после Большого взрыва. Проходя мимо таких скоплений, свет не просто огибает их, как вода камень. Его траектория слегка смещается вбок, и величина сдвига зависит от того, как свет «закручен» — вправо или влево.
Нейтронные звёзды — сверхплотные остатки массивных светил, где вещество сжато до ядерной плотности. Предел их устойчивости впервые описал Субраманьян Чандрасекар. Магнитары — экзотическая разновидность нейтронных звёзд, обладающая магнитным полем в квадриллион раз мощнее земного.
Вселенная говорит на двух фундаментальных языках — гравитации и света. В обычных условиях они не смешиваются: гравитационные волны скользят сквозь материю, не оставляя следа, а фотоны пляшут в зеркальных лабиринтах.
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.
Внутри нейтронной звезды — объекта, где вещество сжато до немыслимых значений, — плотность распределена не плавно. Она обрушивается резкими уступами, которые физики называют плотностными ступенями.
Нейтронная звезда — это сжатое ядро погибшего светила, объект размером с город, но с чудовищной плотностью. Некоторые из таких звёзд становятся пульсарами — космическими маяками, испускающими строго периодические импульсы излучения. Их магнитное поле в миллиарды раз сильнее земного; у магнитных полюсов оно вырывается наружу бурным фонтаном плазмы.
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.
Луч света можно заставить выглядеть как цветок с несколькими лепестками. Если такой луч пропустить сквозь облако холодных атомов рубидия и включить магнитное поле, лепестки начнут поворачиваться. Угол поворота напрямую связан с силой поля.
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).
Свет — это поток фотонов, и обычно у фотона нет магнитного момента: он не отклоняется магнитом, как железные опилки. Но в очень сильном магнитном поле, сравнимом с критическим полем Швингера (около 4.4×$$10^{13}$$ Гаусс — в миллиарды раз сильнее, чем у магнита на холодильнике), у фотона появляется аномальный магнитный…
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.
Свет от звезды HD 163296 проходит сквозь окружающий её газопылевой диск, как луч фонарика сквозь мутную воду. Частицы диска рассеивают свет, и он приобретает особое свойство — поляризацию: волны начинают колебаться в одной плоскости, словно верёвка, которую встряхивают строго вверх-вниз.
Кристалл Ca2RuO4 похож на стопку тонких листов. Внутри каждого листа спины электронов выстроены в строгом порядке — как ряды солдат на плацу. Между листами связь слабая, и её знак можно перевернуть, слегка потянув кристалл в стороны.
Когда кристалл растягивают, этот слабый межслойный контакт меняет знак, и весь магнитный узор перестраивается.
Луч света с круговой поляризацией падает на кристалл перовскита MAPbI3. Электроны внутри кристалла начинают вести себя как крошечные волчки, чьи оси выстраиваются вдоль луча. Это явление называют оптической ориентацией спинов.
Футбольный мяч, закрученный ударом, летит не по прямой, а сгибает траекторию вбок. Примерно так же ведёт себя луч света, если его сильно сфокусировать: он начинает толкать атом не только вперёд, но и в сторону. Физики измерили этот сдвиг на одиночном ионе кальция, пойманном в световую ловушку.
Луч направляли на атом, как прожектор на песчинку.
Магнитные материалы умеют хранить энергию колебаний — как камертон, который продолжает звенеть после удара. Если такой материал поместить в микроволновую полость, его колебания (магноны) начинают взаимодействовать со светом (фотонами).
Луч лазера падает на блестящий кристалл — и возвращается уже другим: чуть смещённым по цвету, с иной поляризацией. В магнитном поле такое превращение света становится особенно заметным. Именно это увидели физики, когда направили лазер на кристалл CsPbBr3 (соединение цезия, свинца и брома) внутри магнита с полем до 10 тесла — примерно в 200 тысяч раз сильнее поля Земли.
Обычный магнитный компас замирает, когда рядом бьёт молния. Резкий скачок магнитного поля сбивает стрелку с толку. Похожая проблема мешала учёным измерять магнетизм материалов в сильных импульсных полях — таких, что включаются на тысячную долю секунды.
Новая установка решает эту задачу с помощью лазерного луча.
В тёмной комнате два фонарика светят на одну стену. Обычно их лучи просто складываются, и пятно становится ярче. Но если фонарики испускают свет особыми порциями — фотонами, — то при определённых условиях они могут вести себя иначе. Вместо того чтобы независимо попадать в разные места, два фотона «договариваются» и выходят только вместе, как пара, из одного выхода.
Астрономы уже несколько лет бьются над загадкой быстрых радиовсплесков — сверхкоротких, но невероятно мощных радиосигналов, приходящих из далёких галактик. Одни из них вспыхивают повторно, словно маяки с переменным ритмом, другие же регистрируются лишь однажды, оставляя после себя лишь вопросы.
Свет от далёких галактик проходит через линзы телескопа, как через стопку оконных стёкол. Каждое стекло покрыто тонкой плёнкой, чтобы меньше бликовать. Но эта плёнка работает как поляризационный фильтр: одна составляющая световой волны проходит чуть свободнее, другая — чуть хуже. В результате волна слегка поворачивается, и телескоп видит не ту картину, что была в небе.
Магнетар — это нейтронная звезда, обладающая магнитным полем, которое в квадриллион раз интенсивнее земного. Время от времени такой объект исторгает сгусток плазмы, напоминающий надувной шарик; внутри него, словно тысячи невидимых пружинок, мечутся силовые линии магнитного поля.
В 1936 году два физика, Вернер Гейзенберг и Ганс Эйлер, сидя над уравнениями квантовой электродинамики, обнаружили нечто странное. В достаточно сильном магнитном поле вакуум должен перестать быть пустым. Он должен стать похожим на кристалл: свет одной поляризации пойдёт в нём чуть быстрее, свет другой — чуть медленнее. Это явление назвали вакуумным двулучепреломлением.
Телескоп ACT в чилийской пустыне Атакама всматривался в небо с 2007 по 2022 год. Его цель — реликтовое излучение, свет, который путешествует к нам 13,8 миллиарда лет. Этот свет поляризован: волны колеблются в определённых плоскостях, как струны, натянутые в разных направлениях. В идеально симметричной Вселенной эти плоскости оставались бы неизменными.
Радиометр ARCADE2 на высотном аэростате зафиксировал избыточное радиоизлучение, а наземный эксперимент EDGES — аномально глубокий провал в спектре водорода на 21 см. Оба сигнала не вписываются в стандартную космологическую модель и указывают на неизвестный источник мягких фотонов.
Космические лучи — это ядра атомов, разогнанные до скоростей, близких к световой. Они прилетают на Землю со всех сторон, и по их составу можно судить о том, что творится в далёких уголках Галактики. Спутник НУКЛОН несколько лет собирал такие частицы, и теперь его данные показали странную закономерность: чем реже ядро встречается в природе, тем жёстче его спектр.
