магнитосфера

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.

Оркестр без дирижёра может звучать слаженно, если музыканты чувствуют общий ритм. В мире твёрдых тел роль такого ритма играют фононы: кванты колебаний кристаллической решётки. Когда атомы в подложке начинают двигаться по кругу, они способны передать своё вращение магнитному слою, лежащему сверху, и перевернуть его намагниченность.

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.

Космический телескоп JWST навёл объектив на раскалённый каменный мир 55 Рака e — и увидел плотную газовую оболочку. А у более прохладной TRAPPIST-1 b, которая кружит у тусклого красного карлика, оболочки не оказалось: голая скала. Картина вышла перевёрнутой: горячие планеты держат атмосферу, холодные — теряют.

Магнитный каркас кристалла EuMnSb2 напоминает строительные леса: марганцевые атомы образуют жёсткие вертикальные стойки, а европиевые — подвижные перекладины. До сих пор не было единого мнения, под каким углом наклонены эти перекладины в покое и как они поворачиваются, когда на леса давит магнитное поле. Обычные методы не давали точного ответа: атомы европия жадно поглощают нейтроны, и сигнал тонет в шуме.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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».

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.

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.

Камешек размером с виноградину влетает в атмосферу почти по касательной и проносится над землёй, не падая. Именно это произошло с метеороидом массой около 45 граммов. Он вошёл в воздушную оболочку планеты так полого, что пролетел 164 километра на высоте 92 километра — там, где воздух уже в миллион раз разреженнее, чем у поверхности.

Магнитное поле растёт — а намагниченность замирает на месте. Словно весы, на которых груз добавляют, а стрелка не двигается, пока не накопится достаточно, чтобы перескочить на следующую отметку. Именно так ведут себя кристаллы редкоземельных тетраборидов, и физики десятилетиями не могли понять, почему.

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.

Солнечный ветер — поток заряженных частиц от Солнца — врезается в разреженный газ, заполняющий пространство между звёздами. При столкновении рождается слабое рентгеновское свечение. Для астрономов это как туман перед фарами: он мешает разглядеть далёкие объекты.

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.

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.

На Солнце иногда возникают гигантские облака плазмы, которые пытаются вырваться в космос. Но часто им это не удаётся: невидимая магнитная клетка удерживает их у поверхности. Такие неудавшиеся извержения называют «запертыми». Учёные построили компьютерную модель, чтобы понять, как именно работает эта клетка.

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.

Кристалл урана-теллура при сильном охлаждении перестаёт сопротивляться току. Прежде чем это случится, при чуть более высокой температуре, его сопротивление ещё можно мерить — и оно рассказывает о форме невидимых дорожек, по которым бегут электроны. Эти дорожки образуют поверхность в пространстве импульсов — как карта, на которой отмечены все разрешённые скорости частиц.

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.

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.

Магнитные моменты в кристалле похожи на стрелки компасов, закреплённые в узлах решётки. В обычном состоянии они выстраиваются в аккуратный порядок, но если по кристаллу ударить электромагнитной волной, стрелки начинают колебаться — как хлебные колосья под ветром. Эти колебания называют магнонами, и они переносят энергию без перемещения самих атомов.

Магнитное поле похоже на тень от предмета: меняется вместе с формой источника. Но если поставить на пути света линзу, тень можно изменить. Так и здесь: авторы придумали «линзу» для магнитного поля — набор из обычных материалов с разной магнитной проницаемостью (способностью пропускать поле).

Обычная резиновая полоска, начинённая мелкими железными опилками, в магнитном поле не просто изгибается — она завязывается в устойчивый узел. Такой эффект предсказали и воспроизвели в эксперименте физики, работавшие с магнитоактивным эластомером: силиконовой основой с частицами карбонильного железа.

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.

Солнце постоянно испускает поток заряженных частиц — солнечный ветер. Среди них много электронов, и часть из них летит обратно к Солнцу. Но наблюдения показывают: обратно возвращается меньше электронов, чем должно быть. Раньше думали, что виновато электрическое поле Солнца, которое тормозит частицы. Новое исследование предлагает другое объяснение.

Солнечный ветер и ультрафиолет постоянно снимают с Земли тонкий слой газов — как ветер уносит пар над горячей кастрюлей. Этот процесс идёт медленно, миллиарды лет. Но у планет возле красных карликов всё жёстче: они греются у самой звезды, и потоки рентгена сдирают атмосферу, словно пескоструйный аппарат.

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.

В кастрюле с кипящим супом мелкие пузырьки бурлят, но постепенно крупные потоки начинают доминировать. Похожее явление происходит в космической плазме, где магнитные поля ведут себя как запутанные нити. В турбулентности магнитная энергия обычно перетекает от крупных масштабов к мелким, но в магнитно-доминирующей среде всё наоборот: энергия идёт от мелких вихрей к крупным.

В иле на дне пруда живут бактерии, которые носят внутри себя крошечные магнитные стрелки. Эти стрелки — цепочки кристаллов магнетита, и они помогают бактериям плыть вдоль магнитного поля Земли, как стрелка компаса, в поисках лучших условий. Когда бактерии погибают, цепочки остаются в осадке и могут сохраняться миллионы лет.

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.