Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма

Явление турбулентной диффузии очень важно не только для парфюмеров и производителей электрических чайников. Это один из наиболее очевидных эффектов, возникающих в мире больших магнитных чисел Рейнольдса. Очень трудно представить себе небесное тело – а они, как правило, газообразные или жидкие, – в котором совсем нет никаких случайных движений. Совсем не обязательно, чтобы это была настоящая турбулентность или конвекция. Достаточно хотя бы каких-то движений. Они сразу увеличивают скорость переноса магнитного поля, а этот перенос, если нет ничего другого, тоже достаточно быстро приводит к затуханию магнитного поля.

Мы не умеем наблюдать течения глубоко внутри Солнца, поэтому трудно судить, есть ли там какие-нибудь движения. Настоящей конвекции там быть не должно – во всяком случае, специалисты не знают, как она там могла бы появиться. Поэтому магнитное поле в этих глубинах может, в принципе, жить практически вечно, хотя в это нелегко поверить.

Есть, правда, такой вид звезд (по астрономической классификации это Ap-звезды), где магнитное поле, видимо, действительно выжило после каких-то более ранних этапов эволюции. Интересное, но все же редкое исключение.

Между переносом магнитного поля и примеси есть два важных различия, которые ускользают от описания на языке турбулентной диффузии. Оба они связаны с тем, что у магнитного поля есть направление, а у температуры нет. Говоря более формальным языком, температура – скаляр, а магнитное поле – вектор. Точнее, псевдовектор: у него объективно определена прямая, вдоль которой расположена стрелка, а вот куда она направлена – вопрос соглашения, аналогично вопросу, какие штопоры завезли в соседний магазин – правые, как обычно, или вдруг левые?

К среде «приклеены» оба конца стрелки вектора, а при течении среды расстояние между ее частицами может меняться. Соответственно, может меняться и длина вектора магнитного поля, то есть напряженность магнитного поля. Разумеется, вектор может поворачиваться.

Так на языке представлений о вмороженности описывается явление электромагнитной индукции, которое открыл Фарадей и про которое рассказывают в школе, но на совсем другом языке. Еще одно различие между магнитным полем и температурой в том, как работает хоть и малая, но конечная диффузия. Не турбулентная, а нормальная – молекулярная. Что будет, если в распределении переносимых полей (температуры или магнитного поля) возникнет небольшая по размерам неоднородность, для которой диффузию уже нужно учитывать? С температурой – ничего особенного. Диффузия просто сгладит неоднородность и нивелирует все проблемы. С магнитным полем может произойти так: встретятся два пучка магнитных линий противоположной направленности. Если их магнитные потоки (произведение напряженности магнитного поля на поперечное сечение) одинаковы, то они просто взаимно уничтожатся, а магнитная энергия перейдет в тепло. Среда может быстро нагреться. (Примерно так – если провести аналогию – на Солнце возникают вспышки.) И магнитное поле в этом месте быстро затухнет.

4. Динамо, и зачем оно нужно

Итак, мы хотели бы найти какой-то механизм, который позволил бы сначала создать, а потом поддерживать магнитное поле и объяснял бы происхождение таких явлений, как 11-летний цикл солнечной активности. Обсудим этот механизм конкретно на примере Солнца, а потом поговорим о том, чем отличается его работа в других телах от того, что происходит на Солнце. Разговор пойдет в контексте исторического развития этой области науки.

Сначала несколько общих соображений. Уравнения Максвелла, которые описывают электромагнитное поле, линейные. Это значит, что для них справедлив принцип суперпозиции. Такие уравнения хорошо изучены математиками. Если мы не хотим поддерживать магнитное поле внешними источниками, но нужно, чтобы оно существовало долго – на протяжении времени, сравнимого с возрастом Солнца, то, пока это магнитное поле еще слабое, оно должно расти экспоненциально быстро. Это общее свойство всех линейных уравнений. Ему подчиняется, например, и развитие эпидемий – хотя бы коронавирусной. Такие процессы называются неустойчивостями. Когда магнитное поле станет большим и сможет вмешаться в динамику солнечной среды, то экспоненциальный рост замедлится, наступит фаза насыщения. Колебания магнитного поля – читай: солнечный цикл – при этом могут сохраниться.

На этой линейной стадии развития неустойчивости скорость роста и частота колебаний магнитного поля составляют единую комплексную величину, которая называется собственным числом задачи.

Важно при этом избежать существенных скоплений электрических зарядов. Среда должна оставаться практически электронейтральной. Дело в том, что электрические силы гораздо больше магнитных, и, если где-то электронейтральность хоть чуть-чуть нарушается, она очень быстро восстанавливается.