Дмитрий Соколов - Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма [litres]

Вроде теоретические ожидания дают примерно то же, что и наблюдения. Однако в целом и механизм мелкомасштабного динамо изучен гораздо меньше, чем динамо среднего поля, да и наблюдения магнитных полей скоплений галактик гораздо менее определенны, чем наблюдения магнитных полей галактик.

До сих пор мы говорили о галактиках, в которых не происходит никаких особенных событий: они не сталкиваются, не выбрасывают из себя вещество, не проявляют никаких других признаков активности. Конечно, всегда лучше начинать с чего-нибудь простого, а уже потом переходить к более сложному и менее понятному. Так мы и поступали, но все-таки хочется перейти и к экзотике, тем более что в мире галактик экзотики хватает. Специалисты по таким необычным объектам постоянно предполагают, что эта необычность как-то связана с магнитным полем. Это считается хорошим тоном.

Чтобы решать проблемы магнитного поля, хорошо бы сначала разобраться в гидродинамике объекта, понять, что, куда и почему течет. Для этого, в свою очередь, неплохо знать, какие действуют магнитные силы. Возникает замкнутый круг, так что разбираться в проблеме приходится шаг за шагом, решая этот кроссворд.

Не будем пытаться охватить все разнообразие мира галактик – в нем слишком много неизвестного и неясного. По таким поводам Я. Б. Зельдович любил вспоминать текст, якобы напечатанный когда-то в журнале «Сатирикон»: «История мидян делится на три периода – поздний, средний и ранний. Про первый из них не известно ничего, про второй известно еще меньше, и т. д.». Попробуем поговорить о том, в чем хоть как-то удается разобраться.

Из центральных областей многих галактик бьют узкие струи вещества. Такие струи принято называть на английский манер джетами – так красивее. Откуда берутся эти струи, почему они такие тонкие (их называют «коллимированные»), из чего они состоят и т. д., мы говорить не будем. Пусть об этом говорят специалисты.

Джеты встречаются не только в мире галактик, но и в мире звезд. Не будем отвлекаться и на это. Для нас важно, что в джетах (по крайней мере, в некоторых) видно магнитное поле. Его наблюдают в принципе так же, как магнитное поле спиральных галактик, – по поляризации радиоизлучения и его фарадеевскому вращению. Конечно, теоретики немедленно находят этому магнитному полю полезные применения в теории джетов. Например, оно помогает объяснять, почему джеты такие тонкие и длинные.

По данным наблюдений, магнитное поле навивается на джет, как электрический провод – на соленоид. Немедленно рождается идея о том, что джет вращается вокруг своей оси. В такой вращающейся струе проводящей среды может работать немного другой вид динамо, а не обычное динамо в галактических дисках. Мы уже немного говорили о нем – оно называется динамо Пономаренко или винтовым. На нем основаны лабораторные эксперименты по динамо, и мы обсудим его работу в этой связи чуть позже. Сейчас важно понимать следующее: для винтового динамо необходимо, чтобы джет вращался вокруг своей оси. Специалисты говорят, что предположение очень правдоподобно, но никаких наблюдений этого вращения нет. Понятно, что свойства этого вращения – если оно и есть – тоже совершенно неизвестны. Однако если динамо Пономаренко в джетах действительно работает, то оно производит магнитное поле, очень напоминающее то, которое видно в наблюдениях.

Выяснение того, вращаются ли джеты, – специальный вопрос наблюдательной астрономии. От специалистов по динамо здесь польза только в том, чтобы привлечь внимание к задаче. Зато специалист по динамо может помочь в осмыслении наблюдений магнитного поля в джетах. Здесь есть о чем рассказать.

Приезжаю на пару дней в одну очень известную зарубежную научную группу. Делаю доклад по недавним работам. Все о'кей. Заодно меня спрашивают: «Мы тут попробовали формулы из вашей старой работы. Вы их использовали для интерпретации наблюдений в дисках галактик. А в наших джетах они как-то плохо работают. Почему?» Отвечаю: «Ну, наверное, потому что струя все-таки не диск, а там все интегралы взяты для случая диска». Удивляются: «Так что же, нам все эти интегралы пересчитывать?»

Так что в вопросе о магнитных полях в джетах еще много неясного и работы хватает.

Еще один вид небесных тел, имеющих отношение к нашему разговору, – это аккреционные диски, возникающие вокруг звезд, черных дыр и других компактных тел при падении на них вещества из окружающего пространства. Это падение и называется словом «аккреция». Проблема в том, что совсем не просто сконцентрировать в малом объеме первоначально рассеянное вещество этого тела и заставить его упасть на центральное тело. Разумеется, это падение связано с силой тяготения. Проблема в том, что это вещество совсем не обязательно находится в покое. Если частичка вещества расположена далеко от центрального тела и двигается в более или менее произвольном направлении, то у нее есть заметный угловой момент, пропорциональный скорости и расстоянию. Угловой момент – сохраняющаяся величина; опять вспоминаем пример про фигуристку, быстро вращающуюся во время исполнения своей программы. Вещество приближается к центральному телу, угловой момент сохраняется, расстояние уменьшается, значит, растет скорость. Непонятно, куда деть этот угловой момент при падении вещества на центральное тело.

Проблема с угловым моментом становится еще более острой при перетекании вещества с одного тела на другое, скажем с одной звезды двойной системы на другую. Тут уж наличие углового момента очевидно: звезды двойной системы обращаются вокруг общего центра масс.

Как компромисс между тяготением и сохранением углового момента и возникает аккреционный диск. Изучение свойств аккреционных дисков тоже захватывающая область астрофизики. В этой области отечественная наука отметилась всем известными (в узких кругах, конечно) учеными: много лет назад Н. И. Шакура и Р. А. Сюняев написали основополагающую статью про аккреционные диски с фантастическим индексом цитирования – не к ночи вспомним наукометрию [18] Shakura, N. I., Sunyaev, R. A. Black holes in binary systems. Observational appearance. Astronomy and Astrophysics 1973, 24, 337S. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1973A%26A….24..337S/abstract . .

Аккреционные диски чем-то напоминают спиральные галактики. Собственно, и те и другие плоские именно потому, что в них борются сила тяготения и сохранение углового момента.

Аналогия между спиральными галактиками и аккреционными дисками в течение многих лет очевидна специалистам по динамо. Специалисты по аккреционным дискам не сомневаются, что магнитное поле очень помогло бы решить их задачи.