Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма

С точки зрения школьной физики, например, расстояния измеряются в метрах, причем неважно, по какой оси отложены эти метры. С точки зрения астрономии дело обстоит совершенно по-другому. Легко измерить угол между двумя направлениями, а вот расстояние – очень трудно. Один из методов связан с наблюдением параллакса, то есть небольших перемещений, которые за год совершает на небе изображение далекой звезды из-за обращения Земли вокруг Солнца. Так возникает внесистемная единица длины – парсек, то есть расстояние, на котором параллакс составляет секунду дуги. Эта единица помнит о том, с каким способом измерения расстояния она связана. Астроном сделает все возможное, чтобы не переводить без надобности парсеки в метры.

Примерно так же обстоит дело и с магнитным полем. В школе учат, что мы должны четко различать напряженность магнитного поля и магнитную индукцию. Они отличаются на величину магнитной проницаемости, которая в ферромагнетиках может достигать тысяч, – приходится ее учитывать.

Не могу не рассказать поучительной истории. Начальству раз пришло в голову, что хорошо бы, чтобы аспирантские экзамены на каждой кафедре принимали бы не только ее сотрудники, но и люди с других кафедр. Вот мне и говорят: «Пойди на кафедру магнетизма и поучаствуй там в этой работе. Ты ведь магнетизмом занимаешься, хоть и другим». Пришел я туда, экзаменуют аспиранта, видимо плохого. Говорят ему: «Скажи хоть, что более фундаментальное понятие – магнитная индукция или напряженность магнитного поля?» Сижу как оплеванный. С одной стороны, магнитная индукция важнее, она определяет работу, например, магнита. С другой – магнитная проницаемость – макроскопическая характеристика вещества. В микромире ее нет, там только напряженность. До сих пор не знаю, какой ответ правильный, – и аспирант тоже не знал.

Так вот, в мире галактик нет никакого резона различать индукцию и напряженность: там не приходится особо заботиться о ферромагнетиках. Поэтому астрономы систематически измеряют напряженность магнитного поля в гауссах, хотя в школе учат, что ее нужно измерять в эрстедах (1 гаусс = 1 эрстед, но гаусс – единица магнитной индукции в гауссовской системе). Заодно и пользуются исключительно ею. А вот те, кто занимается геомагнетизмом, говорят о теслах (точнее, микротеслах) – исключительно удобно для общения.

Магнитное поле галактик порядка нескольких микрогаусс, по земным меркам – очень небольшое. (Для сравнения, магнитное поле Земли – примерно полгаусса.) Но это не значит, что оно неинтересное!

Вероятно, в самом центре галактики находится черная дыра. Это такой интересный и модный объект, о котором лучше почитать в специальной литературе. Для наблюдения черной дыры важно, падает ли на нее вещество галактики. Упасть ему на черную дыру непросто: вещество вращается, то есть у него есть угловой момент. Угловой момент – сохраняющаяся величина, то есть его трудно изменить, для этого нужна какая-то сила. Опять вспоминается школьный учебник физики с фигуристкой, которая сначала раскинула руки, а потом прижала их к телу и завращалась так, что дух захватывает. Лучше бы подумала, что сделать с угловым моментом вещества, которое хочется засунуть в черную дыру.

Один из способов отнять угловой момент – сделать это с помощью магнитного поля. Дело в том, что, кроме обычных спиральных галактик, есть еще галактики с перемычками. В одной из них – она носит звучное имя NGC1097 – хорошо видно, как к центру галактики идут магнитные линии, по которым туда, на черную дыру, может течь вещество. Магнитное поле создает натяжения, которые помогают отвести угловой момент вещества, падающего на черную дыру.

Можно привести и другие примеры, но мне больше нравится этот – он получен в ходе выполнения совместного российско-немецкого проекта. Я уже писал, что в этой области науки без участия немецких астрономов наблюдения на телескопе были бы невозможны. При этом проект был поддержан Российским фондом фундаментальных исследований – спасибо ему – и его немецким аналогом DFG – ему спасибо тоже!

2. Магнитное поле Солнца

Солнце гораздо ближе к нам, чем далекие галактики. Поэтому мы знаем о строении его магнитного поля гораздо более детально, чем про магнитные поля галактик. С другой стороны, мы наблюдаем магнитные поля только на поверхности Солнца, а о том, что происходит внутри Солнца, можем только догадываться.

Насколько сильно магнитное поле на поверхности Солнца? Ответ на этот, казалось бы, простой и прямой вопрос несколько ошарашивает. Можно сказать определенно: в солнечных пятнах напряженность магнитного поля составляет около одного килогаусса. Безусловно, это ориентировочная цифра – где-то побольше, где-то поменьше. Сами пятна имеют сложную структуру.