магнитное пересоединение

Четыре свидетеля одного пересечения. 10 ноября 2017 года четыре спутника MMS пролетали сквозь невидимую границу в солнечном ветре, где магнитные силовые линии перестраиваются и выделяют энергию. Это событие называется магнитным пересоединением, и оно происходит в тонком слое, толщину которого обычно оценивают по данным одного аппарата.

Четыре свидетеля одного пересечения. 10 ноября 2017 года четыре спутника MMS пролетали сквозь невидимую границу в солнечном ветре, где магнитные силовые линии перестраиваются и выделяют энергию. Это событие называется магнитным пересоединением, и оно происходит в тонком слое, толщину которого обычно оценивают по данным одного аппарата.

Микроволновая печь греет еду, но в лаборатории микроволны сделали нечто иное: превратили сверхпроводник в постоянный магнит. Плёнка из оксида иттрия-бария-меди толщиной 300 нанометров, охлаждённая до 80 кельвинов, откликнулась на излучение частотой 5 гигагерц.

По узкой дороге навстречу друг другу идут два каравана. Один — широкий и медленный, везёт груз плотности. Другой — вереница лёгких повозок с током, проскальзывает между первыми. Так в разряде магнетрона сосуществуют две структуры, вращающиеся в противоположные стороны: спица плотности и нити тока.

Радиоволны от далёкого пульсара проходят сквозь межзвёздную среду, и на их пути встречаются невидимые магнитные структуры размером с расстояние от Солнца до Земли. Одна из таких структур — токовый слой, где магнитное поле резко меняет направление, как стрелка компаса, перескочившая с севера на юг.

На Солнце есть слой, который называют хромосферой. Он расположен прямо над видимой поверхностью — фотосферой, и именно там часто вспыхивают яркие дуги. Их видно в телескоп, но чтобы понять, что их зажигает, нужно заглянуть в невидимые магнитные поля. Астрономы навели шведский солнечный телескоп на область, где магнитное поле закручено, как жгут из множества нитей.

Внутри солнечной вспышки магнитные линии рвутся, как натянутые резиновые жгуты, и перехлёстываются заново — за минуты высвобождая энергию, которой хватило бы человечеству на миллионы лет. В лаборатории этот процесс, магнитное пересоединение, долго умели лишь запускать, но не останавливать. Теперь у физиков появился рубильник.

Внутри солнечной вспышки магнитные линии рвутся, как натянутые резиновые жгуты, и перехлёстываются заново — за минуты высвобождая энергию, которой хватило бы человечеству на миллионы лет. В лаборатории этот процесс, магнитное пересоединение, долго умели лишь запускать, но не останавливать. Теперь у физиков появился рубильник.

Магнитное поле в термоэлектричестве обычно действует как строгий регулировщик: чтобы тепло преобразовывалось в электричество, поле обязано быть ориентировано поперечно потоку тепла. Если поле лежит вдоль теплового потока, эффект исчезает — так считалось десятилетиями.

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.

Вихрь в магнитном материале — это как водоворот, но вместо воды закручиваются направления намагниченности. Электрон, пролетая сквозь такой вихрь, чувствует не просто магнитное поле, а искривление пространства: его путь изгибается, словно он катится по воронке с узким горлышком.

Рентгеновская вспышка проносится сквозь вещество за миллиардные доли секунды. Чтобы её запомнить, физики заставляют атомы на короткое время впитать этот свет, а потом выпустить обратно. Но достать фотон по команде — всё равно что вытащить из шкафа нужную книгу, когда полки двигаются сами по себе.

Солнечная корона — внешняя, разреженная и чрезвычайно горячая атмосфера Солнца — живёт своей бурной жизнью. Магнитные поля здесь подчиняются движениям плотной поверхности — фотосферы, но иногда сами переписывают магнитный рисунок.

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.

Гонка за термоядерной энергией напоминает попытку удержать молнию в бутылке. Десятилетиями физики бьются над тем, чтобы воссоздать на Земле процессы, питающие Солнце.

В сверхпроводниках электроны объединяются в пары и текут без сопротивления. Обычно эти пары распределены равномерно, как вода в спокойном озере. Но иногда в материале возникает рябь — пары сгущаются и разрежаются с определённым шагом. Такое состояние называют сверхпроводимостью с волной плотности пар.

Радиоволны — это высокочастотные электромагнитные колебания — бессильны перед толщей земли: они затухают, почти полностью поглощаясь уже на глубине пары метров. Но низкочастотное магнитное поле, подчиняющееся уравнениям электродинамики, ведёт себя иначе. Оно пронизывает грунт, словно невидимый мост, переброшенный сквозь скалы и почву.

Модульные спутники — это конструкции, собранные из одинаковых кубических блоков, подобно детскому конструктору. При столкновении с космическим мусором часть модулей разрушается, и в спутнике образуется пробоина. Инженеры, вдохновлённые способностью живых тканей к регенерации, реализовали механизм самовосстановления.

Энергосеть — это галактика, где массивные генераторы, словно звёзды, синхронным вращением задают ритм. С приходом зелёной энергетики появляются «планеты» — силовые преобразователи, устройства, превращающие постоянный ток солнечных панелей или ветряков в переменный ток сети. Одни послушно кружат по орбитам, другие пытаются стать центрами притяжения.

Надувной шар с нарисованными фломастером магнитными линиями — простая модель того, как ведёт себя слабое магнитное поле в расширяющейся вселенной. Пока шар маленький, линии послушно лежат на резине и не мешают ей растягиваться. Примерно так поле заполняет готовое пространство, не споря с его геометрией. Но если бы сам фломастер начал раздувать резину, картина стала бы иной.

В центре многих галактик прячется невидимое облако — гало из тёмной материи. Если эта материя достаточно холодная и лёгкая, она ведёт себя как сверхтекучая жидкость: течёт без трения, а любое вращение в ней закручивается в крошечные квантовые вихри — нити размером с атомное ядро.

Сверхпроводник обычно не дружит с магнитом: сильное поле разрушает состояние, в котором ток течёт без сопротивления. Но в тонких слоях углерода всё иначе.

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.

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.

Тонкая магнитная плёнка похожа на строй солдатиков с крошечными магнитными стрелками. В плоском мире тепловые толчки быстро сбивают этот строй — малейший нагрев разрушает порядок. Так работает запрет Мермина–Вагнера: в двух измерениях непрерывная симметрия не выживает при конечной температуре.

Активные ядра галактик (AGN) — главные космические электростанции: их рентгеновская корона в миллионы раз пышет жаром звёздных атмосфер. Но кто зажигает искру? Десятидневная рентгеновская кампания спутников XRISM и XMM-Newton, нацеленных на NGC 3783, дала ответ — это настоящие грозы.

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».

Обычно сверхпроводимость — это история про холод. Чем ниже температура, тем легче электронам объединиться в пары и течь без сопротивления. Но в новой работе физики вырастили тонкие плёнки никелатов с добавкой европия и увидели обратную картину.

Представьте сильно перекрученный телефонный шнур: в какой-то момент он лопается, разбрасывая искры. Похожим образом ведут себя магнитные поля на Солнце — они скручиваются, разрываются и пересоединяются, высвобождая энергию, которая питает солнечные вспышки. Астрономам впервые удалось наблюдать этот процесс напрямую.

В горячей молодой Вселенной, словно в переполненном танцевальном зале, кружились магнитные монополи — частицы-одиночки, несущие только северный или только южный полюс. В обычном магните полюса всегда парой, а здесь каждый сам по себе. Теории, объединяющие все силы природы, предсказывают, что таких частиц должно было появиться огромное множество, но сегодня мы их не видим.

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?

Космос полон невидимых спринтеров — частиц, мчащихся почти со скоростью света. Их ловят в солнечном ветре, у нейтронных звёзд и даже в межгалактической пустоте между галактиками. Но что разгоняет их там, где нет ни ударных волн, ни магнитных пересоединений?

Солнечный свет падает на вещество, и каждый фотон выбивает один электрон. Таков привычный порядок, из-за которого обычные батареи не могут превратить в электричество больше трети энергии — остальное рассеивается теплом. Но есть процесс, похожий на игру в бильярд, где один шар раскалывает сразу два: умножение носителей (carrier multiplication).

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.

Уличный фонарь мигает, когда мимо проходит человек. Примерно так ведёт себя ближайшая к нам звезда — Проксима Центавра. Она вспыхивает в ответ на движение своих планет. Астрономы наблюдали эту звезду с помощью очень чувствительного прибора — спектрографа ESPRESSO. Он ловит свет и раскладывает его по цветам, как призма.

В оркестре атомов у каждого инструмента своя партитура. Но иногда два музыканта начинают играть в унисон — и звук усиливается во много раз. В квантовом мире такое «созвучие» называют резонансом Фешбаха. Оно позволяет управлять атомными взаимодействиями с ювелирной точностью. Резонанс Фешбаха — это не совпадение нот, а совпадение энергий.

В декабре 2011 года комета Лавджоя совершила дерзкий манёвр — пронеслась сквозь раскалённую корону Солнца. Сразу после этого была зафиксирована вспышка. Учёные проверили гипотезу: могла ли комета спровоцировать этот выброс? Атмосфера Солнца пронизана тугими магнитными петлями — их можно представить как натянутую тетиву лука.

Сверхпроводник похож на идеальный хоровод электронов: они движутся парами, не теряя энергии, словно танцоры, которые никогда не сбиваются с ритма. Но стоит добавить немного магнитных примесей — и в хоровод врезаются посторонние, мешая синхронному движению. Температура, при которой начинается этот танец, падает.

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.