Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма

Тем не менее и число зацеплений магнитного поля пересчитать очень трудно. Первые идеи на этот счет пришли в голову немецкому физику Норберту Зеехаферу в начале 1990-х. Они были реализованы в нескольких обсерваториях различных стран, но наибольшие усилия приложили астрономы из солнечной станции Хуайроу, расположенной недалеко от Пекина.

В этих измерениях определялось число зацеплений линий электрического тока – токовая спиральность. Удалось пронаблюдать ее для более чем двух 11-летних циклов. Постепенно научились измерять гидродинамическую спиральность и непосредственно альфа-эффект, но здесь пока временные ряды существенно короче, чем при наблюдении токовой спиральности. Делаются первые шаги по наблюдению магнитной спиральности в галактиках, но еще далеко до получения всех данных, которые хотелось бы знать.

7. Как строятся модели генерации магнитного поля

Нам пора перейти к рассказу о том, как специалисты пытаются строить теоретические модели генерации магнитных полей в конкретных небесных телах. Примерно полвека назад для этого имелся только один способ. Следовало выделить какие-то фрагменты задачи, которые можно было описать так, чтобы получающиеся уравнения были решены точно. Ну в крайнем случае приближенно – с помощью асимптотических разложений.

Конечно, для этого приходится сильно упрощать задачи, а затем перекидывать шаткие мостики от одного фрагмента, допускающего такое аналитическое описание, к другому. Это традиционный метод теоретической физики. Он требует действительно виртуозного владения математикой. Приходится только удивляться, как в начале XIX в. Френелю удалось вычислить совершенно сумасшедшие интегралы, на которых основана волновая оптика. Все идеи, лежащие в основе авиации, были выработаны подобным методом.

Новая возможность появилась в годы Второй мировой войны. Людям, раскрывавшим шифры «Энигмы» и создававшим атомные и водородные бомбы, пришлось разрабатывать первые компьютеры. Еще примерно 40 лет ушло на то, чтобы использование компьютеров перешло из области рекордных проектов в арсенал повседневной работы исследователей. Этот процесс был очень непростым и часто болезненным. Наверное, он мог бы быть не таким жестким и порой жестоким. До сих пор памятен рубеж, когда пришлось разобрать новые и интересные «Эльбрусы» и перейти на зарубежные персональные компьютеры, каждый из которых в тот момент стоил целое состояние. Потребовались десятилетия, чтобы в полной мере осознать идейное наследие, которое оставил нам Алан Тьюринг и ученые его времени.

Наконец, в середине 1990-х специалисты по вычислительной физике научились решать задачи по магнитной гидродинамике такой сложности, что стало возможным говорить о детальном воспроизведении генерации магнитных полей в небесных телах. Жизнь сложилась так, что впервые это произошло при изучении геомагнитного поля в работах Поля Робертса и Гарри Глацмайера. Наверное, их стоит считать американскими учеными, хотя Робертс как минимум половину своей жизни работал в Англии. Достижение было таким значительным, что о нем охотно писала газета The New York Times[16].

На какое-то время показалось, что классические методы теоретической физики безвозвратно ушли в прошлое. В самом деле, для чего изобретать изощренные постановки точно решаемых задач, если вопрос можно исследовать численно? Можно сказать и так: зачем придумывать непростую электродинамику средних полей, вводить альфа-эффект, разрабатывать методы его измерения, если можно без всего этого обойтись и непосредственно строить полные модели генерации магнитного поля, в которых не пренебрегают ничем?

Еще через лет двадцать люди осознали, что прямыми численными методами часто можно получить решение, которое никому совершенно не понятно. Оказалось, что понимание и вычисление – две дополняющие друг друга стороны изучения проблемы. Приходится заниматься обоими аспектами.

Естественно, в нашей научно-популярной книге мы будем говорить именно о понимании, а про терабайты и терафлопы лучше почитать в других источниках. Однако действительно важно исследовать обе стороны проблемы.

8. Какие же модели построили теоретики?

Первое, что выяснилось: динамо – это пороговый процесс. Это значит, что если динамо-машина крутится недостаточно интенсивно, то магнитное поле не возрастает, а затухает. Это выглядит естественно, ведь в близком к нам мире ничего похожего на динамо не происходит, то есть интенсивность работы динамо недостаточна. Нужно, конечно, научиться ее измерять. Делается это в принципе так же, как вводится магнитное число Рейнольдса, о чем мы уже говорили.

Дополнительная проблема заключается в том, что у динамо-машины две ручки, которые нужно крутить, – два источника генерации. Это все тот же альфа-эффект и перепад угловой скорости, или степень дифференциальности вращения. Справиться с этой проблемой помогает курс линейной алгебры, который читают во втором семестре физфака.