Текст книги "Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма"

Дмитрий Соколов
Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма

Научный редактор Дмитрий Вибе, д-р физ. – мат. наук

Редактор Ирина Сисейкина

Издатель П. Подкосов

Руководитель проекта А. Шувалова

Корректоры И. Панкова, Е. Сметанникова

Компьютерная верстка А. Фоминов

Художественное оформление и макет Ю. Буга

Иллюстрация обложки NASA's Goddard Space Flight Center/Johns Hopkins University, Applied Physics Laboratory

© Соколов Д., 2021

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2021

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

⁂

Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория» (при финансовой поддержке Н.В. Каторжнова).

Фонд поддержки научных, образовательных и культурных инициатив «Траектория» (www.traektoriafdn.ru) создан в 2015 году. Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.

В рамках издательского проекта Фонд «Траектория» поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.

Предисловие

Физика без математики – все равно что голый в метро: можно, но неприлично. Эти слова безвестный мыслитель вырезал когда-то на парте Центральной физической аудитории физфака МГУ. Безусловно, портить факультетское имущество нехорошо, но трудно не согласиться с тем, что проблема, подмеченная в этой фразе, существует и с годами становится все более актуальной.

Безусловно, сейчас профессионально заниматься физикой без знания математики совершенно невозможно, хотя степень необходимых знаний математики тоже может сильно меняться от одной области физики к другой. В конце концов, один из авторов науки об электромагнетизме – Майкл Фарадей – был совершенно не склонен писать формулы, но открыл много нового и полезного. Мы часто будем обращаться к его идеям и в этой книге.

В других науках тоже есть свои профессиональные фильтры, которые отсекают любителей от профессионалов. Забавно услышать по радио историческую передачу о Второй мировой войне и отметить, что автор незнаком с немецким языком. Несомненно, нельзя быть филологом-классиком без знания древнегреческого, а выучить его сложнее, чем освоить курс матанализа.

Однако специалисты по античной литературе способны рассказать о своей работе так, что для этого не нужно учить латынь и греческий. Когда я был аспирантом, мне советовали слушать полезные для работы лекции. Я последовал совету и прослушал на филфаке лекции по античной литературе – и никогда не пожалел об этом, хотя времени изучить хотя бы латынь не нашлось: как-то не до того было.

Потом у меня появились дети, они выросли и тоже занялись наукой. Правда, далекой от формул. Они рассказали мне, что формулы вселяют священный ужас в людей, далеких от физики (примерно как в физике – обсуждение фалекова гендекасиллаба). Видя формулы, люди просто перестают читать.

Можно, конечно, сказать, что систематика растений – ею занимается мой сын – нестрогая наука, одни цветочки и травки, пустые разговоры. Нет ничего дальше от истины, чем такое суждение. На заседаниях постоянно действующего семинара «Об основных интересных вопросах современной науки», который проводится в нашей семье, я узнал, что математика – наука весьма нестрогая и разболтанная. В систематике растений никто бы не допустил, чтобы словами многочлен и полином называлось бы в точности одно и то же. Да и формулировки теорем и определений, мягко говоря, оставляют желать лучшего. Сличение разных учебников показывает, что их авторы не удосужились согласовать тексты так, чтобы избежать редакционных разногласий, не продумали, о чем нужно сказать в начале, а о чем в конце, и т. п. С такой расхлябанностью нельзя заниматься описанием новых видов…

Видимо, и про физику нужно учиться писать так, чтобы это было понятно представителям других специальностей, но сохраняя научность, не уходя в безответственные разговоры. Такие книги, разумеется, есть, но до какого-то времени занятия в университете существенно отличались от таких книг, с точки зрения высокой науки незначимых.

Положение изменилось, когда наш ректор ввел межфакультетские курсы, на которых, по его замыслу, как раз и нужно было рассказывать о новых научных идеях, и так, чтобы слушатель понял сказанное и при этом не должен был окончить хотя бы три курса физфака.

Не могу сказать, что мы все были в восторге от этой идеи. Уж очень мы привыкли к мысли о том, что про физику или математику нужно говорить профессионально, а об истории искусств каждый культурный человек будет с легкостью рассуждать, развлекаясь. Не могу забыть, как в начале 1990-х мы с немецким соавтором ехали из Берлина в Бонн. У нас была возможность сделать остановку в Магдебурге, где я бывал и до этого, а он – еще нет: Германия объединилась лишь недавно. У нас возникли разногласия. Я настаивал на осмотре собора со знаменитым монументом Эрнста Барлаха, а он был уверен, что нужно смотреть музей Отто фон Гёрике, открывшего вакуум. Нам так и не удалось договориться.

Сейчас ясно, что с таким подходом убедить налогоплательщиков давать деньги на физику будет трудно. Нужно учиться говорить понятно для непрофессионалов.

Мы прочитали курс по математическому моделированию как межфакультетский. Потом стало ясно, что он полезен и нашим студентам.

В этой книге я попытался переработать содержание тех частей курса, которые рассказывал сам. Скажу честно, я не знаю, как писать такие книги, но хочу научиться.

Посмотрим, как у меня получится.

Время написать эту книгу нашлось из-за пандемии коронавируса. Пришлось уехать в глухую деревню в муромских лесах. Интернет был, но было и свободное время.

Безусловно, эта книга – не учебник физики и тем более не учебник по всем тем смежным вопросам, которые упоминаются в книге. Чтобы иметь о них представление, нужно обратиться совсем к другим книгам. Скорее это часть большой саги о жизни, из которой можно узнать, в частности, о том, как и для чего работают физики. По крайней мере, некоторые.

Введение

Мы собираемся поговорить о том, как устроена современная физика в той ее части, где существенно востребованы современные математические идеи (таких областей физики – большинство). Разумеется, мы обсудим и то, что интересно мне лично, – просто потому, что на другие темы должны говорить люди, на них специализирующиеся. Я занимаюсь магнетизмом небесных тел – в широком смысле слова. Чем же отличается эта область физики от всех прочих многочисленных областей?

Можно привести простой пример. На физическом факультете МГУ есть много разных научных групп, так или иначе изучающих магнитные явления. Регулярно – раз в несколько лет – проводится российская конференция по магнетизму. Делается много докладов, работают секции, жизнь кипит.

Удивительно, но на этой конференции не было сделано ни одного доклада по магнетизму небесных тел, включая геомагнетизм. Несмотря на то что на факультете есть отделение геофизики, где занимаются, в частности, геомагнетизмом. Один из деканов был специалистом в этой области в текущем столетии.

Среди организаторов конференции были мои однокурсники, которых я хорошо знал со студенческих лет. Я много раз говорил с ними – без всякого результата – о том, что неплохо было бы организовать на конференции секцию по космическому магнетизму.

Как говорят, nothing personal. Просто организаторы конференции не воспринимают космический магнетизм как часть науки о магнитных явлениях. Это кажется необычным, но у организаторов конференции есть свои резоны.

Наверное, в космическом магнетизме есть что-то необычное и интересное, что заслуживает обсуждения. Этому и посвящена эта книга.

Глава 1
Откуда мы знаем про магнитные поля небесных тел

Много лет назад мы с коллегами написали обзорную статью про очень конкретный вопрос из области астрономии. Статья так и называлась: «Магнетизм галактик». Она была написана по-английски, но суть дела от этого не меняется. В то давнее время интернета не было, поэтому журналы выдавали авторам оттиски статей, которые авторы могли послать по почте своим научным знакомым: приятно же, когда твоими статьями кто-то интересуется. Чтобы сообщить авторам, что кто-то не против прочитать их статью, желающий присылал им специальные открытки-запросы на оттиски. В тот раз открытки пришли, и соавторы поручили мне как самому молодому в команде пойти на почту и разослать оттиски. Открыток было много, но все какие-то странные, от знакомых астрономов вовсе ничего не пришло – наверное, они прочитали нашу статью в библиотеке (тогда люди еще ходили в научные библиотеки; я и сам ходил и хорошо это помню). Но открытки пришли из самых различных мест, совершенно не связанных с астрономией. Особенно запомнилось письмо из Каирского зоопарка – его сотрудники тоже не могли жить без магнетизма галактик.

Так я узнал о том, что вопросы космического магнетизма интересуют широкую публику. Попробуем хотя бы отчасти удовлетворить ее интерес.

У человека нет специального органа чувств, с помощью которого можно непосредственно ощущать магнитное поле. Мы судим о присутствии магнитного поля по тому, как оно действует на что-то другое, прежде всего на магнитную стрелку. Мы делаем так, если интересуемся магнитным полем прямо в том месте, где находимся сами. С небесными телами дело обстоит гораздо сложнее: мы живем только на одном небесном теле – нашей Земле. Люди уже побывали на Луне, космические аппараты достигли Марса и Венеры и пролетели в окрестностях других планет. На многих из этих космических аппаратов стояли сложные приборы – магнитометры, которые измеряли магнитное поле в той точке, где в тот момент находились. В этом смысле магнитометры похожи на магнитные стрелки. Это, безусловно, очень важные данные, но мы бы практически ничего не узнали о космическом магнетизме, если бы у астрономов не было других методов измерения (или, может быть, лучше сказать «наблюдения») магнитного поля на астрономических расстояниях.

1. Что должен отвечать на вопрос о наблюдениях магнитных полей студент-астроном

Начнем с простого – с того, что должно быть известно каждому студенту.

В основном знания в области астрономии мы получаем из света, приходящего от различных небесных тел. Не обязательно света в видимом диапазоне, но и радиоволн, рентгеновского излучения и других видов электромагнитных волн. Безусловно, астрономы очень ценят все остальные источники информации: космические лучи, гравитационные волны, нейтрино несут важные сведения, но все же основную массу знаний дают электромагнитные колебания.

Оказывается, магнитное поле может влиять на свойства света. При определенных условиях атомы излучают или поглощают электромагнитные волны в очень узком диапазоне частот (можно сказать, одного цвета) – в некоторой спектральной линии. Если же атом находится в магнитном поле, то спектральная линия распадается на две или несколько линий, соответствующих нескольким разным частотам. В физике принят термин «расщепление спектральных линий». По тому, насколько велико это расщепление (как различаются цвета, соответствующие этим линиям), можно узнать, насколько сильно магнитное поле в точке, где излучается свет. Явление расщепления спектральных линий в магнитном поле называется эффектом Зеемана.

С помощью эффекта Зеемана в начале XX в. американский астроном Хейл впервые измерил магнитное поле в солнечных пятнах. Так люди узнали, что Солнце является гигантским магнитом. Это был триумф физики и астрономии: стало ясно, что не нужно лететь на удаленное небесное тело для того, чтобы узнать, какое там магнитное поле.

Поэтому каждый студент должен уверенно отвечать: в астрономии магнитные поля измеряют по эффекту Зеемана. Однако часто студенты не знают того, что они знать обязаны.

Этот ответ верен, но, как часто бывает со студенческими знаниями, он очень неполон. Если бы в распоряжении астрономов был только эффект Зеемана, сегодня наши знания о космическом магнетизме были бы гораздо беднее.

2. Как наблюдают магнитные поля галактик

Что же прочитали в нашей статье уважаемые сотрудники Каирского зоопарка о том, как наблюдают магнитные поля галактик? Конечно, никто не собирается отказываться от старого доброго эффекта Зеемана, который уже больше ста лет верой и правдой служит астрономам. Проблема только в том, что он хорош для измерения магнитных полей в солнечных пятнах, но плохо работает при измерении магнитных полей галактик – галактики тоже являются магнитами.

Разберемся в том, что может помешать измерению магнитного поля с помощью эффекта Зеемана. Прежде всего, магнитное поле должно быть достаточно большим, чтобы расщепление спектральных линий было заметным. Магнитные поля галактик намного слабее, чем магнитные поля на Солнце. Однако эта трудность – еще полбеды. За долгие годы спектроскописты научились измерять и слабые магнитные поля. Проблема в том, что эффект Зеемана не единственный, который воздействует на спектральные линии.

Есть еще эффект Доплера: свет, приходящий от движущегося тела, мы видим с несколько другой частотой, чем наблюдатель, движущийся вместе с телом. Само по себе это тоже не беда, но разные атомы, излучающие свет в данном кусочке вещества на далеком небесном теле, движутся с самыми различными скоростями, так что спектральная линия не просто смещается, а размывается. Становится трудно заметить расщепление спектральной линии, поскольку каждая из линий, на которые распалась первоначальная линия, размыта эффектом Доплера, причем величина размытия может быть много больше, чем величина расщепления.

Спектроскописты научились справляться с размытием спектральных линий, но у всего есть пределы. Магнитные поля галактик не только гораздо слабее солнечных, но и вещество галактик, находящееся в пространстве между звезд, гораздо более разрежено, чем вещество Солнца, а разброс скоростей электронов и ионов, излучающих свет (радиоволны), может быть гораздо больше, чем диапазон скоростей атомов на Солнце. Не очень хорошо в этой очень разреженной среде обстоит дело и со спектральными линиями – у излучения Солнца их гораздо больше.

Измерить магнитное поле с помощью эффекта Зеемана все же удается в некоторых частях галактик, где плотность межзвездной среды и напряженность магнитного поля побольше, а скорости – поменьше. Это холодные молекулярные облака межзвездного газа. Такие наблюдения очень важны и полезны, но все же это частности.

И тут астрономия получает совершенно неожиданную поддержку от неожиданного союзника – сахарной промышленности.

В этой индустрии важно оперативно измерять содержание сахара в растворе, который образуется при его вываривании, скажем, из сахарной свеклы. Для этого сообразительные специалисты сахарного дела используют возможность сделать свет поляризованным. В луче поляризованного света векторы электрического (и магнитного) поля направлены не как попало, а колеблются в одной плоскости, которая называется плоскостью поляризации. Несомненно, тут придется потрудиться, но это технически разрешимая задача.

Если луч поляризованного света проходит через раствор сахара, то положение плоскости поляризации не остается постоянным. Она поворачивается на некоторый угол, по величине которого можно вычислить концентрацию сахара в растворе и соответственно обнаружить нечистых на руку или просто небрежных рабочих и выяснить, соблюдали ли рабочие рецептуру приготовления. Конечно, цель – бороться за качество продукции.

Это явление называется эффектом Фарадея по имени обнаружившего этот эффект знаменитого английского физика XIX в.

Плоскость поляризации вращается в сахаре потому, что молекулы сахара, плавающие в растворе, обладают определенной асимметрией. Точнее, молекулы сахара (как и многие другие органические молекулы) могут существовать в двух вариантах – «правом» и «левом» – это зеркальные отражения друг друга. Живые организмы (в частности, сахарная свекла) вырабатывают молекулы сахара одной ориентации. Почему это происходит, не до конца ясно, но, поскольку мы говорим об астрономии, это вопрос второстепенный. Пусть с этой загадкой природы разбираются другие.

Важно то, что магнитное поле действует на свет так же, как и сахар: происходит поворот плоскости поляризации. Эффект Фарадея в магнитном поле можно, разумеется, наблюдать в лабораторном эксперименте. Теоретическая физика объясняет причину этого явления. О ней написано в одной из книг замечательного отечественного физика, лауреата Нобелевской премии В. Л. Гинзбурга. Она переведена на английский язык, и астрономы, начавшие наблюдать магнитные поля с помощью эффекта Фарадея, учились по этой книге.

Оказывается, угол поворота плоскости поляризации пропорционален квадрату длины волны излучения. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называется мерой фарадеевского вращения и обозначается как RM (rotation measure). (Удивительно, но в русском языке имя Фарадея упоминается чаще, чем в его родном английском.) В свою очередь, мера фарадеевского вращения пропорциональна напряженности магнитного поля (точнее, его компоненте вдоль луча зрения), плотности электронов и длине области, занятой магнитным полем.

Для астрономии очень важно, что в этой зависимости участвует длина области, то есть эффект является интегральным. Это значит, что можно использовать гигантские размеры небесных тел, – в эффекте Зеемана такой зависимости нет. Приятно и то, что эффект Фарадея не связан со спектральными линиями.

Для того чтобы воспользоваться эффектом Фарадея в астрономических наблюдениях, нужно понять, в каком диапазоне длин волн разумно вести наблюдения.

Понятно, что угол поворота плоскости поляризации должен быть не слишком маленьким, иначе его трудно заметить. Соответственно, длина волны должна быть не слишком маленькой. Но она должна быть и не слишком большой. Дело в том, что угол поворота плоскости поляризации определен с точностью до 180°. Если плоскость поляризации повернулась на 190°, то наблюдатель скажет, что она повернулась всего на 10°!

В 1970-х гг., когда астрономия подходила к наблюдению магнитных полей галактик, было уже известно, какого порядка их магнитные поля. Эту оценку получил на 20 лет раньше великий Энрико Ферми, который предположил, что космические лучи, то есть протоны и другие атомные ядра высоких энергий, удерживаются в нашей галактике Млечный Путь ее магнитным полем. Для этого магнитное поле должно быть достаточно большим. Из других наблюдений была примерно известна плотность межзвездного газа. Все вместе указывало на то, что фарадеевское вращение следует наблюдать в том диапазоне, который относится к сфере радиоастрономии. Например, можно сопоставлять данные, полученные на длинах волн в 6 и 18 сантиметров. Хорошо к ним добавить и данные, полученные на 3-м и 21-м сантиметре, и получить убедительное доказательство того, что мы имеем дело именно с фарадеевским вращением.

К моменту, когда радиоастрономы осознали все эти обстоятельства, произошло событие, во многом определившее судьбы изучения магнитных полей галактик. К этому времени хозяйство ФРГ восстановилось после военной катастрофы и руководители немецкой науки стали обдумывать, как можно хотя бы отчасти восстановить славные традиции немецкой науки. Предусмотрительные ученые мужи справедливо решили, что нет смысла догонять ушедших вперед конкурентов и гораздо лучше заняться чем-то принципиально новым. Были выделены деньги на строительство очень большого радиотелескопа. Он был построен недалеко от Бонна, в горах, в местечке с красивым названием Эффельсберг. Для научного руководства новым телескопом был приглашен Рихард Вилебинский. По происхождению он поляк, но вырос и выучился радиоастрономии в Австралии – стране, которая традиционно является одним из лидеров в этой области науки. Между прочим, он всегда был горячим сторонником научного сотрудничества с астрономами нашей страны.

Вилебинский правильно выбрал направление для научного прорыва – наблюдение магнитных полей внешних галактик (то есть не Млечного Пути) с помощью вычисления мер фарадеевского вращения и других характеристик поляризованного излучения межзвездной среды спиральных галактик.

Вилебинскому удалось сформировать работоспособную научную группу, которая со временем выросла в сообщество замечательных радиоастрономов, на несколько десятилетий ставших абсолютными лидерами в этой области.

Трудно описать всех членов этой группы, поэтому назову только некоторых. Прежде всего это Райнер Бек, ставший на несколько десятилетий безусловным лидером в наблюдении магнитных полей галактик, а также крупные ученые Марита Краузе и Элли Бергхьюзен, нидерландский радиоастроном, выпускница Лейденского университета, знаменитого своими традициями радиоастрономии. Все эти люди – яркие индивидуальности, о которых в кругах специалистов ходят легенды. Когда встречаются два эксперта в области магнитных полей галактик, то тут же вспоминают, как оба в одно и то же время были в гостях у Элли и как она кормила всех супом, сделанным из одного пакетика концентрата.

Именно группа Института радиоастрономии в Бонне получила основные наблюдательные сведения о магнитных полях спиральных галактик. Кроме спиральных, есть и другие виды галактик, но именно спиральные наиболее интересны для понимания галактического магнетизма.

Очевидно, никакое научное лидерство не может продолжаться бесконечно долго. Сменяются научные поколения и научные приоритеты. Со временем к немецкой группе присоединились и коллеги, и конкуренты. Расскажу об одной из групп, которые конкурируют с немецкими астрономами. В 90-х гг. прошлого века радиообсерватория Ягеллонского университета в Кракове, в Польше, представляла собой коллекцию ретротехники. Не было ни оборудования, ни тематики, ни денег: в стране выполнялся план Бальцеровича, что было тяжелее реформ Гайдара. Берусь утверждать это на основании личного опыта.

Руководство Ягеллонского университета и обновленное руководство обсерватории поставили цель сохранить обсерваторию и найти для нее научную нишу, в которой можно было бы занять лидирующие позиции в науке. Реализацию плана они видели в тесном сотрудничестве с группой из Бонна (где не хватало исследователей младшего поколения) и в концентрации усилий по изучению магнитных полей карликовых галактик. План блестяще удалось воплотить. Не берусь утверждать, надолго ли, но магнитные поля карликовых галактик теперь польская тематика.

Мне почему-то кажется, что это поучительные истории.

Можно спросить, стоило ли тратить столько сил на наблюдения каких-то слабых магнитных полей далеких галактик? Конечно, с помощью этих наблюдений нельзя прямо решать народнохозяйственные проблемы. Однако на опыте изучения магнитных полей спиральных галактик выросло новое поколение радиоастрономов, которое поставило перед собой совершенно новые планы, потребовавшие новых достижений в наблюдательной технике. При планировании и строительстве новых радиотелескопов пришлось решать очень сложные задачи с помощью методов, которые обязательно пригодятся при решении совершенно земных проблем.

Магнитные поля галактик слабые, но это не значит, что они неинтересны астрономии и астрофизике. Судить о том, важно или неважно магнитное поле, приходится не по абсолютным значениям его напряженности, а по сопоставлению этой величины с другими сходными величинами: Солнце и галактики – очень разные объекты. И в Солнце, и в спиральных галактиках плотность энергии магнитных полей сопоставима с плотностью энергии движений (исключая общую энергию вращения), так что магнитные поля могут влиять на течения вещества и Солнца, и галактик и воздействовать на другие физические процессы. А кроме того, интересно, что бывают магниты размером с целую галактику.

Есть и еще один резон изучать магнитные поля галактик. Считается, что природа магнетизма галактик, звезд и планет имеет много общего (мы еще вернемся к этому вопросу). Существует много теоретических работ, в которых строятся различные модели происхождения этих магнитных полей. Нет сомнений, что космический магнетизм связан с процессами, происходящими не на поверхности, а внутри небесных тел. Интересно сравнивать эти модели с наблюдениями. Для Солнца, звезд и планет мы вынуждены использовать косвенные приемы, чтобы узнать, что именно происходит в глубинах этих тел, даже если мы хорошо знаем, что происходит на поверхности. Причина понятна: Солнце и Земля непрозрачны и мы не можем наблюдать то, что происходит в их глубинах. Галактики представляют собой счастливое исключение: они прозрачны (по крайней мере, частично) и для оптического, и для радиоизлучения, так что мы можем заглянуть прямо в ту область, в которой работает огромная динамо-машина, создающая магнитное поле. Обидно было бы упустить эту возможность!