В нашем мире существуют масса разных вещей, происхождение которых имеет вполне научное объяснение. Но несмотря на это, они все еще вызывают массу споров и колоссальный интерес у многих людей. Одним из таких наболевших вопросов считается использование самых мощных магнитов. В мире существует масса магнитов, каждый из которых по-своему уникален. Но какой из них самый мощный?
Необычная и мощная звезда-магнит
Магнитная нейтронная звезда, именуемая «Гамма-ретранслятор 1806-20», является самым мощным магнитным объектом во Вселенной. Она подавляет достаточную магнитную силу, чтобы замедлить локомотив с расстояния в четверть миллиона миль (путь от Земли к Луне).
На данный момент обнаружено только десять таких необычных объектов. При магнитном поле в 100 млрд тесла звезда затмевает Землю. Магнитное поле Земли составляет 0,00005 тесла. Маловероятно, что какое-нибудь рукотворное устройство когда-нибудь приблизится к силе этого самого мощного магнита из космоса.
Мощнейший американский магнит
Самый мощный магнит, разработанный во Флориде, представляет собой технический рубеж по порядку строительства космической станции и является инженерным подвигом. Исследователи из штата Флорида (США), в настоящее время ведут запись с использованием гибридной магнитной системы, введенной в эксплуатацию в девяностых годах. Мощная магнитная система, массой в 35 тонн, имеет магнитное поле в миллион раз превышающее магнитное поле Земли.
Необычный магнит или гигантская подкова
Услышав такое название, сразу приходит на ум огромная подкова. Однако в данном случае все не совеем так. Речь идет об универсальной магнитной системе из Флориды. Она состоит из двух огромных магнитов изогнутой формы, работающих вместе. Наружный слой - это самый мощный магнит имеющий сверхохлаждение и сверхпроводимость. Ему нет равных среди подобных устройств когда-либо созданных человеком. Магнит постоянно охлаждают сверхтекучим гелием до температурных показателей близких к абсолютному нулю. В центре системы расположен огромный резистивный магнит.
Несколько интересных моментов из испытаний
Этот огромный резисторный магнит представляет собой устройство, расположенное в центре комплексного приспособления. Но, несмотря на его размеры, этот супермагнит редко используется. Все дело в том, что для его испытаний была выделена очень маленькая тестовая площадка. Из-за этого испытуемые объекты крохотные и не превышают размеров кончика обычного карандаша.
Более того, в процессе тестирования испытуемый образец необходимо охлаждать до определенной температуры. Для этого он опускается в специальный цилиндрический резервуар с охлаждающей жидкостью.
Применение магнита в медицине
Любой самый мощный магнит с легкостью найдет свое применение в медицине. Использование этих устройств позволяет решить проблему модернизации современного медицинского оборудования.
К примеру, во Флориде находится самый большой магнит, используемый для томографии. Этот 24-тонный гигант позволяет исследовать головной и спинной мозг, выявив не только различные заболевания, но и некогда полученные пациентом травмы. Чем выше магнитное поле, тем точнее результаты. В университете мозга считают, что использование сверхмощных магнитов поможет в исследованиях травм головного и спинного мозга.
В рамках одного из проектов планируется использовать функциональную визуализацию живых клеток при помощи мощного магнита. В ходе эксперимента ученые узнают, насколько повреждается мозговая ткань с течением времени и как лекарственные средства могут на это повлиять.
Технология МРТ, где также нашлось место магнитам, использует мощное магнитное поле для выравнивания клеточных ядер тела. При этом один магнит находится в неподвижном состоянии, а другой вращает ядра и генерирует сигнал. Его-то и считывают компьютеры. Затем они перерабатывают и преобразовывают полученный сигнал в трехмерный визуальный образ.
Влияют ли магниты на человека?
Расширяющееся медицинское использование магнитов вызывает очевидный вопрос: являются ли магнитные поля хорошими или плохими для человеческого тела? В последние годы было много дебатов по поводу последствий жизни вблизи высоковольтных линий электропередач.
Но так как поля падает довольно быстро, кто-то, живущий всего в 50 футах от линии электропередачи, вероятно, испытает не более двух миллигауссов. В последнем исследовании не было оснований полагать, что этот уровень воздействия может оказать пагубное воздействие на организм.
Неодимовые магниты: что и как
Эти магниты являются очень мощными. Они сильные и довольно безопасные, но тяжелые. Некоторые из них могут весить сотни килограммов. Это своеобразные куски из магнитного сплава, наделенного сверхмощной силой сцепления. Такие устройства могут быть облачены в дополнительный стальной корпус, что усилит их вес и сцепление. Также они могут быть лишены подобной дополнительной оболочки. Соответственно, будут обладать меньшим сцеплением и весом.
Благодаря мощи и силе подобных устройств появилась возможность поднимать вверх грузы с весом до 1000 кг.
Для чего нужны поисковые магниты?
Самые мощные поисковые магниты представляют собой небольшие по размеру устройства, используемые для поиска ценных металлических предметов и объектов. Такие находки всегда имеют историческое значение и важны для разного рода исследовательских компаний, археологических обществ и других любителей старинных вещей.
Как правило, они состоят из мощных неодимовых магнитов, резиновых и стальных корпусов, других компонентов. Размеры устройств довольно компактные, поэтому их можно носить в руках. Использовать их можно не только на поверхности, но и в колодцах, болотах, реках. Они могут быть двусторонними и односторонними, а также отличатся своим весом и мощностью.
Мощные и сильные неодимовые магниты
Есть постоянные магниты, которые могут иметь такую же привлекательную силу, как и самые мощные неодимовые магниты. Они называются магнитами AlNiCo. Создаются такие устройства обычно на базе алюминия, кобальта и никеля. При большего размера используется отливка и ее сложные формы.
По словам экспертов, данные виды магнитов обладают прекрасными термическими характеристиками. Благодаря этому они нашли свое применение в производстве тормозных автомобильных систем ABS, изделий с герконовыми переключателями (к примеру, датчиками топливной подачи) и гитарных звукоснимателей.
Как видите, магниты - это важная часть нашей жизни. Они используются в различных сферах нашей деятельности и с разными целями.
Именно от этого показателя зависят его эксплуатационные качества и сфера применения. Силу магнитов измеряют в единицах тесла (Тл). То есть, чтобы узнать, какой магнит самый мощный, нужно провести сравнение различных материалов по этому показателю.
Самый мощный электромагнит
Ученые в разных странах стараются создать самый мощный магнит в мире и порой добиваются очень любопытных результатов. На сегодняшний день статус самого сильного электромагнита удерживает за собой установка в национальной лаборатории в Лос-Аламосе (США). Гигантское устройство из семи наборов катушек общей массой 8,2 тонны вырабатывает магнитное поле мощностью 100 Тл. Этот впечатляющий показатель в 2 миллиона раз превышает силу магнитного поля нашей планеты. Стоит отметить, что соленоид магнита-рекордсмена произведен из российского нанокомпозита медь-ниобий. Этот материал разработан учеными Курчатовского института при содействии ВНИИ неорганических материалов им. А. А. Бочвара. Без этого сверхпрочного композита новый самый мощный магнит в мире не сумел бы превзойти рекорд предшественника, поскольку главная техническая сложность при работе установок такого уровня – сохранение целостности при воздействии сильнейших магнитных импульсов. Максимальная зафиксированная сила поля электромагнита, который был разрушен импульсами во время эксперимента, составила 730 Тл. В СССР ученые, используя магнит особой конструкции и взрывчатые вещества, сумели создать импульс в 2800 Тл.Полученные в лабораториях магнитные импульсы в миллионы раз превосходят магнитное поле Земли. Но даже самый мощный магнит, который удалось построить на сегодняшний день, в миллионы раз слабее нейтронных звезд. Магнетар SGR 1806−20 обладает магнитным полем силой 100 миллиардов Тесла.
Самый сильный магнит для бытового использования
Конечно, магнитная сила звезд и эксперименты ученых – это интересно, но большинство пользователей хочет узнать, какой магнит самый мощный для решения конкретных прикладных задач. Для этого нужно провести сравнение силы магнитного поля различных видов магнитов:
1) Ферритовые магниты – 0,1..0,2 Тл.
Итак, самый сильный магнит – это редкоземельный супермагнит , главными составляющими которого являются неодим, железо и бор. Сила его поля сопоставима с мощностью электромагнитов с ферритовым сердечником. Магнитный сплав на основе неодима может похвастаться непревзойденными показателями по таким важным параметрам:
Чтобы сохранить сильное магнитное поле редкоземельного супермагнита на основе неодима, следует помнить о его уязвимых местах. В частности, материал имеет порошковую структуру, поэтому сильные удары и падения могут привести к потере его свойств. Также сплав размагничиваются при нагреве до +70 ⁰ C (термостойкие версии сплавов выдерживают до +200 ⁰ C ). Просто учитывайте эти особенности и тогда изделия будут приносить вам пользу максимально долго.
Кстати, заказать неодимовые магниты различных форм и размеров по лучшей стоимости вы можете в интернет-магазине «Мир магнитов».
В науке всегда есть некоторый элемент состязательности - кто в данном виде спорта самый-самый. Естественно, не остается без внимания и вопрос, какой магнит самый большой. Ответ на него совершенно неожидан для человека, привыкшего к миру технических магнитов: самыми большими по размеру магнитами, известными современной науке, оказываются звездные острова - спиральные галактики. В частности, гигантский магнит представляет из себя та галактика, в которой мы живем, - Млечный Путь. Впервые об этом догадался в конце 40-х годов прошлого века великий Э. Ферми, размышляя о том, что может удерживать космические лучи в Галактике. Он правильно оценил напряженность магнитного поля Млечного Пути и в общих чертах верно представлял себе его конфигурацию. Можно только позавидовать способности классиков науки делать правильные выводы из очень ограниченного набора фактов и, самое главное, удерживаться от беспочвенных спекуляций на его основе. Примерно тогда же замечательный отечественный астроном Б. А. Воронцов-Вельяминов включил эти результаты Ферми в свой учебник по астрономии для 11-го класса средней школы, причем включил так, что его текст практически без правки можно вносить в современные обзоры по магнитным полям галактик. Сейчас данный предмет почему-то в школе не преподают.
Рождение представлений
Вообще говоря, магнетизм широко распространен в космосе. Магнитное поле есть у Солнца, у многих звезд и планет. Магнитом, в конце концов, является Земля. Обычно говорят, что магнитные поля в небесном теле и космической среде обнаруживают по расщеплению в их присутствии спектральных линий электромагнитного излучения, т. е. по эффекту Зеемана. Именно так было открыто магнитное поле Солнца. Однако наблюдать магнитные поля галактик с помощью эффекта Зеемана удается лишь в исключительных случаях, в тех областях, где эти поля аномально велики. Дело в том, что из-за движений излучающих атомов спектральные линии уширяются благодаря эффекту Доплера. Так что сравнительно небольшое расщепление, вызванное магнитным полем галактики, обычно не удается заметить. И тут на помощь приходит другой эффект - эффект Фарадея. Он состоит в том, что в зеркально-асимметричной среде (например, в растворе сахара - в органических веществах есть лишь сахара одной из двух зеркально-симметричных конфигураций) по мере прохождения через нее света плоскость поляризации последнего вращается. Оказывается, что магнитное поле тоже делает среду зеркально-асимметричной, а синхротронное излучение, присутствующее во многих небесных телах, поляризовано. Угол поворота пропорционален проекции напряженности магнитного поля на луч зрения, плотности тепловых электронов среды, длине пути и квадрату длины волны излучения. Длина пути в галактиках огромная, поэтому даже при небольшом магнитном поле набегает существенный поворот плоскости поляризации. Правда, этот поворот не должен быть и очень большим, поскольку тогда плоскость поляризации поворачивается много раз, и наблюдения трудно интерпретировать. В итоге выходит, что лучше всего наблюдать фарадеевское вращение в радиодиапазоне, на длинах волн сантиметрового масштаба.
Говоря, что магнитное поле галактик слабое, мы сравниваем его с полем технических устройств или Земли. На самом деле это сравнение не показательно - в мире галактик свои масштабы. Лучше сравнить плотность энергии магнитного поля и, например, плотность энергии случайных движений межзвездного газа, в котором и находится само поле. Оказывается, что эти энергии приблизительно одинаковы. Другими словами, магнитное поле галактики в своем естественном масштабе гораздо сильнее большинства привычных для нас магнитных полей - оно в состоянии влиять на динамику среды. Это же можно сказать и, например, о магнитном поле Солнца. Специалисты полагают, что магнитное поле в глубине Земли тоже способно существенно воздействовать на течения в жидком внешнем ядре планеты.
Перед тем как указать, каково же магнитное поле галактик количественно, нужно упомянуть о еще одном отличии таких полей в космосе и в технических устройствах. Мы обычно связываем явление магнетизма с ферромагнетиками - в детстве его начинают изучать на примере подковообразного магнита. В космической среде ферромагнетизм - большая редкость. Поэтому нет смысла различать напряженность магнитного поля и магнитную индукцию, а магнитное поле принято измерять не в эрстедах, а в гауссах. Эксперимент показывает, что зарубежные редакторы относятся к такой практике терпимо, а отечественные - не очень. Итак, напряженность магнитного поля галактик порядка нескольких микрогауссов.
За 30 лет после догадки Ферми накопился большой объем данных о фарадеевском вращении излучения внегалактических (по отношению к нам) радиоисточников и пульсаров, т. е. галактических источников поляризованного излучения. В результате на рубеже 80-х годов XX в. открылась возможность более-менее детально изучить строение магнитного поля Млечного Пути. Оказалось, что это магнитное поле лежит в плоскости Галактики, оно примерно симметрично относительно центральной плоскости галактического диска и примерно перпендикулярно направлению на центр Галактики (рис. 1). Эта симметрия очень приблизительная - на среднее магнитное поле наложены разнообразные возмущения. Такое строение магнитного поля кажется естественным. Однако привычное нам дипольное магнитное поле, скажем, Земли, имеет совсем другое строение - оно перпендикулярно экваториальной плоскости нашей планеты. Другими словами, магнитное поле Млечного Пути имеет симметрию квадрупольного, а не дипольного типа, т. е. оно не идет от одного магнитного полюса к другому (как полоидальное магнитное поле), а направлено почти по азимутальному направлению (как тороидальное поле). На самом деле отклонения от тороидального магнитного поля тоже есть, есть и полоидальная составляющая, но они сравнительно слабы.
К сожалению, мы видим Млечный Путь изнутри, так что за близкими деревьями легко теряется образ всего леса. Очень полезно взглянуть на ситуацию со стороны, поэтому особенно ценны наблюдения внешних галактик. Такие результаты появились в 80-х годах прошлого века. Львиную долю этих наблюдений выполнили немецкие радиоастрономы из Института радиоастрономии Общества им. Макса Планка в Бонне. Заслуга в их организации принадлежит Р. Вилебинскому - чрезвычайно колоритному человеку, выходцу из Польши, прошедшему школу радиоастрономии в Австралии, и, между прочим, деятельному стороннику международного сотрудничества, включавшего и нашу страну. В то время Германия уже залечила наиболее заметные раны, нанесенные военной катастрофой, однако немецкая наука еще была далека от довоенных стандартов. Требовалось определить участки, на которых можно было бы достичь лидирующих позиций с помощью разумных усилий. В частности, начинал работу новый современный радиотелескоп в Эффельсберге, недалеко от Бонна (рис. 2). Первые наблюдения показали, что радиоизлучение внешних галактик поляризовано. Оно имеет синхротронную природу, т. е. вызвано движением релятивистских электронов в магнитном поле. Синхротронное излучение поляризовано в высокой степени (около 70% поляризации). Наличие в галактиках каких-то магнитных полей никого не удивляло - астрономы привыкли объяснять ими все непонятное. Но традиционно считалось, что эти поля имеют очень мелкий пространственный масштаб и связаны не со всей галактикой, а с какими-то ее локальными объектами. Тогда излучение, приходящее из разных частей галактики, должно было иметь самые разные ориентации плоскости поляризации, так что в целом оно оказывалось неполяризованным. На деле же поляризация наблюдалась. Конечно, не 70% - процент поляризации был около 10%, но по астрономическим меркам это много. Вилебинский правильно угадал здесь перспективное направление исследования. Подчеркнем, что от наблюдения поляризации до восстановления структуры магнитного поля внешних галактик дистанция большого масштаба. Важно, что была правильно распознана перспектива, а первоначальный импульс исследования оказался настолько сильным, что он во многом определяет ситуацию в данной области до сих пор (хотя, конечно, постепенно подрастают другие группы-конкуренты, прежде всего в Голландии).
Другим удачным обстоятельством, определившим ситуацию в изучении магнитных полей галактик, было то, что в это время в Москве интенсивно работала группа теоретиков, интересовавшихся происхождением таких полей. Научным лидером этой группы был замечательный отечественный физик Я. Б. Зельдович, вокруг которого собирались молодые люди, занимавшиеся различными вопросами астрофизики.
Происхождение магнитных полей небесных тел и прежде всего Солнца давно интересовало теоретиков. Уже в 1919 г. Дж. Лармор понял, что в качестве механизма, способного создать магнитное поле Солнца, не видно ничего, кроме электромагнитной индукции. В самом деле, представление о куске ферромагнетика в центре Солнца не хочется рассматривать даже в виде шутки. По аналогии с тем, что тогда называлось динамо-машиной, механизм получил имя «динамо». Чтобы подчеркнуть, что данный механизм не предполагает наличия на Солнце твердых проводников и других не относящихся к делу деталей, к этому слову прилагают эпитет гидромагнитное . К началу 80-х теория солнечного динамо была хоть в какой-то мере разработана. Было понятно, что в других небесных телах объяснять происхождение магнитных полей тоже естественно с помощью механизма динамо. Вышло несколько работ о том, как могло бы работать динамо в диске галактик. Первая из них, написанная С. И. Вайнштейном и А. А. Рузмайкиным, опубликована в 1972 г. одновременно с работой замечательного американского астронома Ю. Паркера - то были первые работы по галактическому динамо.
Зельдович был человеком, ориентированным на международную научную кооперацию, как бы трудно ни было осуществить это намерение. Одним из результатов его усилий стала публикация в 1983 г. в Нью-Йорке в издательстве «Гордон энд Брич» книги «Магнитные поля в астрофизике», написанной им вместе с молодыми сотрудниками А. А. Рузмайкиным и автором данной статьи. Понятное дело, что мы писали о том, в чем разбирались сами, поэтому значительная часть книги была посвящена галактическому динамо. Книга произвела впечатление на читателя. В то время наши соотечественники редко публиковали книги сразу на английском языке и за границей, но, пожалуй, важнее было то, что впервые вопрос о магнитных полях Млечного Пути занял такое место в книге. Другие группы, работавшие в этой области, больше занимались солнечным динамо.
Нам тоже стало ясно, что открывается новая область исследований. Хорошо помню, как мы слушали доклад замечательного радиоастронома из Бонна Р. Бека, который только что открыл поляризованное радиоизлучение от туманности Андромеды - галактики M31. Это излучение было не размазано по всему диску галактики, а сконцентрировано в кольце (рис. 3). Вероятно, именно там и расположено магнитное поле этой галактики. Но почему оно собирается в кольцо, наблюдателям было совершенно непонятно. Мы-то знали, что студент Саши Рузмайкина Анвар Шукуров только что написал статью о том, какое распределение магнитного поля ожидается в M31 - сосредоточенное именно в кольце, которое располагалось как раз там, где было кольцо поляризованного излучения.
Тогда было не так просто подойти к гостю, приехавшему из далекой Западной Германии, и рассказать ему о своих идеях. Однако Саша - человек, который способен пройти сквозь стену, так что через несколько месяцев удалось довести изыскания нашей группы до сведения немецких коллег. В результате этих усилий мы получили предложение написать книгу о магнитных полях галактик (всяких, а не только Млечного Пути) для голландского издательства «Дурнебааль Райдель» из Дордрехта. В ту пору город Дордрехт, как и вся Голландия, воспринимался как нечто нереальное. Много лет спустя я оказался там и специально поехал в выходной день в этот город, где в 1988 г. вышла наша с Рузмайкиным и Шукуровым книга «Магнитные поля галактик» (правда, издательство уже стало называться «Клувер» - законы бизнеса, ничего не поделаешь). В этот раз русскую версию удалось немедленно издать дома, в издательстве «Наука» . Русского же издания первой из книг пришлось ждать четверть века .
Счастливым для нас образом теория происхождения магнитных полей галактик не входила в качестве неотъемлемой части в концепцию исследователей из Бонна. Поэтому быстро (по масштабам того времени) установилось тесное сотрудничество между нашими группами, так что уже в 1989 г. мы выпустили первый совместный препринт. Во времена перестройки научные связи бурно росли, а многие члены нашей группы стали зарубежными учеными. Поэтому следующий большой обзор по магнитным полям галактик, который вышел в 1996 г. и до сих пор остается стандартной ссылкой по данному вопросу, писала довольно большая группа авторов из многих европейских стран . Отметим, что в Германии была признанная группа, работавшая в области динамо. Правда, эта группа работала в ГДР, в Потсдаме. Это не исключало сотрудничества с Бонном, но делало его не таким простым. Кроме того, часто легче сотрудничать с коллегой из далекой страны, чем со своим соседом. Так или иначе, среди участников обзора был и А. Бранденбург, вышедший из потсдамской группы и работавший тогда в Копенгагене. Сейчас этот ведущий специалист по прямому численному моделированию космических магнитных полей работает в Стокгольме, в Институте теоретической физики северных стран (НОРДИТА).
Первые результаты по магнитным полям галактик вызвали заметный, хотя и не всегда ожидаемый общественный интерес. В те годы не было Интернета, но существовала практика запросов на оттиски статей, причем считалось, что не ответить на такой запрос неприлично. Припоминаю, как отправлял оттиск на запрос из Каирского зоопарка.
Как возникают магнитные поля галактик
Галактическое динамо работает на тех же принципах, что и солнечное. Главная трудность на пути работы этого механизма в том, как обойти известное из школы правило Ленца - электромагнитная индукция создает новое магнитное поле так, чтобы оно не увеличивало, а уменьшало начальное, затравочное магнитное поле. Следовательно, для самовозбуждения магнитного поля (а это и есть динамо) нужно, чтобы в процессе было задействовано два эффективных контура. Тогда первый из них создает магнитное поле во втором, а второй использует это возникшее поле и порождает новое в первом контуре. При этом правило Ленца не запрещает, чтобы новое поле складывалось с исходным.
Специалистам по динамо понадобилось примерно полвека для того, чтобы понять, как можно реализовать эту возможность в природных условиях. Магнитное поле первого контура можно представлять себе как поле магнитного диполя или магнитного квадруполя. Его называют полоидальным. Оно вморожено в хорошо проводящую вращающуюся среду. Вращение это практически никогда не является твердотельным - твердые тела в космосе редкость. Поскольку разные части магнитной линии вращаются с разной угловой скоростью, из полоидального магнитного поля рождается тороидальное магнитное поле, направленное по азимуту. Эта часть устройства динамо особого сомнения не вызывает.
Проблема в том, как восстановить полоидальное магнитное поле из тороидального. К 60-м годам прошлого века стало ясно, что единственный реалистический путь для этого в космических условиях связан с нарушением зеркальной симметрии конвекции (или турбулентности) во вращающемся теле. Благодаря отсутствию симметрии возникает компонента электрического тока, направленная не перпендикулярно, а параллельно магнитному полю. В ясной форме, доступной количественному изучению, данная мысль была высказана и разработана учеными из тогдашней ГДР М. Штеенбеком, Ф. Краузе и К.-Х. Рэдлером. Это, пожалуй, самое известное и важное открытие восточно-германских физиков. Оно получило название альфа-эффекта. Конечно, со временем физики научились описывать альфа-эффект на должном математическом уровне. Но главная проблема с ним все-таки психологическая. Весь опыт школьной, университетской, да и вообще стандартной физики сформирован при молчаливом предположении, что мы имеем дело с зеркально-симметричными средами. Эффекты зеркальной асимметрии начинают играть существенную роль в микромире. Они были обнаружены приблизительно тогда же, когда сформировалось и представление об альфа-эффекте. В то время физики уже привыкли к тому, что поведение элементарных частиц плохо укладывается в категории здравого смысла, однако то, что это случается и в мире больших масштабов, было трудно себе представить. На самом деле зеркальную симметрию нарушает общее вращение тела, в данном случае галактики. Забавно, что в географии этот факт считается очевидным - там есть закон Бэра: согласно ему, реки, текущие в противоположных полушариях, подмывают разные берега. В динамо в совершенно другом контексте используется ровно та же идея.
Подчеркнем, что динамо - пороговое явление. Индукционные эффекты должны перебороть омические потери магнитного поля, связанные с конечной проводимостью среды. В мире галактик этот порог генерации преодолевается за счет огромных пространственных масштабов последних.
В рамках свойств галактического динамо понятно, почему магнитные поля возникают в галактиках спиральных и некоторых других близких типов - именно эти галактики вращаются.
Удалось разобраться и в том, почему конфигурация магнитных полей галактик совсем не похожа на то, как устроено магнитное поле Солнца и Земли. Оказалось, что во всех случаях динамо работает в некотором слое, однако угловая скорость в галактиках меняется вдоль этого слоя, а в других случаях - поперек него. Заранее было, мягко говоря, неочевидно, что такая на первый взгляд несущественная деталь приводит к совершенно различным результатам. Конечно, очень важно и то, что условия наблюдения магнитных полей во всех этих ситуациях очень различны - мы видим прежде всего легко наблюдению поддающееся.
Новые идеи и старые иллюзии
Первые модели генерации магнитного поля в галактиках были, естественно, обобщенными и однообразными. Конечно, крупно повезло, что в них сразу же нашлось место яркой детали (кольцу в M31), которую удается увидеть и в наблюдениях. Этой детали даже была посвящена одна из почтовых марок, выпущенных немецкой почтой (рис. 4).
За годы, прошедшие с тех пор, наблюдатели обнаружили много разнообразных и красивых деталей, а теоретики в той или иной степени научились их объяснять.
Оказалось, что в некоторых спиральных галактиках (например, в NGC 6946) магнитные поля собраны в своеобразные магнитные рукава, которые расположены между спиральными рукавами, образованными газом и звездами (рис. 5). Теоретики склонны трактовать эти магнитные рукава как своеобразный транзиент, т. е. магнитную структуру, которая еще не успела достичь своего равновесного состояния . Известны и другие примеры подобных транзиентов. Например, магнитное поле нашего Млечного Пути несколько раз меняет свое направление вдоль галактического радиуса. Простейшие модели галактического динамо предсказывают, что конечная стадия эволюции магнитного поля галактик не должна обладать подобными чертами. Их появление в реальных галактиках объясняется тем, что эти очень старые по человеческим меркам небесные тела в магнитном смысле совсем молоды. В самом деле, оказывается, что характерное время, за которое галактическое динамо может существенно перестроить магнитное поле в данной области галактического диска, составляет порядка 0,5 млрд лет. Это, конечно, существенно меньше, чем возраст галактик, сравнимый с 10 млрд лет, однако разрыв между данными временны ми масштабами не такой уж большой. Важно и то, что на протяжении своей жизни галактика не оставалась неизменной. В ней происходили разнообразные явления вроде вспышек звездообразования, появления и исчезновения газовых спиральных рукавов, взаимодействий с соседними галактиками и т. д. Сравнительно неторопливое галактическое динамо не успевает сгладить следы этих событий. В итоге в разных частях галактического диска образуются фрагменты финальной магнитной конфигурации, которые плохо стыкуются друг с другом. Это и есть транзиенты. Особенно помогает их образованию то, что магнитное поле - псевдовектор. Это значит, что можно предсказать лишь величину вектора магнитного поля и ту прямую, на которой он лежит, а физической причины, которая выделяла бы направление поля, существовать не может. Поэтому в разных фрагментах магнитной конфигурации магнитное поле способно иметь противоположные направления, а на стыке фрагментов возникают долгоживущие обращения магнитного поля .
Подобные внутренние пограничные слои (их еще называют контрастными структурами) известны во многих областях физики (например, в физике полупроводников). Для изучения контрастных структур замечательным отечественным математиком А. Б. Васильевой и ее школой разработаны мощные методы расчета. Мы, естественно, широко пользовались идеями этой группы, однако обнаруженная формальная аналогия между полупроводниками и галактиками была, разумеется, совершенно неожиданной.
Конечно, спиральные галактики - не просто вращающиеся газовые и звездные диски. В них выделяются различные структуры. Например, в центральных частях некоторых галактик видна своеобразная линейная структура, которая протыкает центральную область, как спица. От ее концов отходят спиральные рукава, поэтому по-русски ее положено называть перемычкой, хотя в живой речи ее обычно обозначают английским словом bar . Магнитные поля в галактиках с баром были изучены в рамках специального немецко-российского проекта РФФИ и Немецкого научного общества, за который мы очень благодарны обоим учредителям. Оказалось, что вращающийся бар сильно изменяет стандартную конфигурацию магнитного поля, а главное, возникают такие магнитные линии, вдоль которых может течь вещество и питать черную дыру, находящуюся, видимо, в центре галактики (рис. 6). До сих пор галактики с перемычками - единственный детально исследованный (как наблюдательно, так и теоретически) морфологический класс галактик.
Описание результатов этого детального и кропотливого исследования вызвало к жизни публикации в разнообразных научных (и популярных) журналах, включая самые престижные, а практика написания отчетов по проектам позволила прийти к неожиданным наукометрическим выводам. Мы и раньше догадывались, что неплохо публиковать свои результаты в самых высокоцитируемых журналах, например, в Nature . И по мере поступления соответствующих результатов делали это. Практика же показывает, что (по крайней мере в астрономии) такая престижная публикация сама по себе не производит особенного впечатления на научное сообщество и не вызывает, в частности, потока ссылок. Гораздо важнее поддержать эту пилотную статью последовательной развернутой публикацией результатов во всей линейке научных журналов по данной тематике - от престижного журнала, обращенного к широкой научной аудитории, до более локальных журналов, адресованных кругу узких специалистов. Тогда оказывается, что и индекс цитирования специальных статей примерно такой же, как и у статьи в Nature . Как говорят футболисты, порядок бьет класс.
Не все первоначальные ожидания подтвердились в ходе исследований. Например, часто создается впечатление, что магнитное поле галактик связано не столько с галактическим диском как целым, сколько со спиральными рукавами в этом диске. В самом деле, направления магнитных векторов близки к направлению спиральных рукавов. Близки, но не совпадают. Конечно, газовые рукава искажают распределение магнитного поля, однако, как выяснилось, сами по себе они его не вызывают.
Другое заблуждение, рассеявшееся в ходе исследований, состоит в представлении, что магнитное поле галактик образовалось при закручивании первоначально однородного магнитного поля, вмороженного в вещество, из которого образовалась галактика. Такое гипотетическое магнитное поле называют реликтовым. Это представление поначалу казалось очень притягательным - не нужно думать о какой-то зеркальной асимметрии и других сложностях. Однако расчеты показывают, что такое реликтовое поле не выживает во вращающихся галактиках, а если бы оно каким-то чудом и выживало, его конфигурация получалась бы непохожей на наблюдаемую.
Магнитные поля в контексте современности
Развитие конкретной области науки далеко не всегда определяется только чисто научными соображениями. Строительство новых радиотелескопов, без которых трудно улучшать возможности наблюдений, - сложный и дорогостоящий процесс, требующий очень серьезной международной и междисциплинарной кооперации. Невозможно представить, чтобы новый мощный радиотелескоп был построен для выполнения одной научной задачи. Поэтому подготовка к наблюдениям на новом приборе занимает не один год и приводит к перестройке всей системы групп, занимающихся данной областью науки.
Сейчас ясно, что следующими радиотелескопами, которые будут наблюдать магнитные поля галактик, станут телескопы LOFAR (от английского LOw Frequency ARray - низкочастотный комплекс) и SKA (Square Kilometre Array - комплекс километровой площади). Особенность первого из них, который уже в основном построен в Голландии, заключается в том, что он состоит из центрального ядра и вспомогательных станций, расположенных в различных европейских странах. Одна из этих станций находится в окрестностях Кракова, в форте времен Первой мировой войны. Поучительно присмотреться к опыту этой обсерватории Ягеллонского университета (Польша). Четверть века назад, когда я впервые увидел эту обсерваторию, в ней не было ни одного более-менее современного инструмента, не было ни денег, ни специалистов-наблюдателей, которые могут проводить современные наблюдения. Зато было четкое осознание того, что из этого сложного положения можно выйти только собственными усилиями. За прошедшие годы руководители этой группы, которыми были последовательно М. Урбаник и К. Отмяновска-Мазур, наладили тесное сотрудничество студентов-астрономов с наблюдателями из Бонна, прежде всего с уже знакомым нам Беком. Молодые ребята выросли в опытных исследователей и переняли у немецких коллег многие наблюдательные проекты. Постепенно нашлись деньги для строительства станции LOFAR, тем более что технически подобная станция достаточно проста. Я хорошо помню, как еще в аспирантские годы был на подобном же радиотелескопе под Харьковом. Усилия краковских астрономов-наблюдателей были поддержаны теоретиками из польского города Торунь. В итоге Польша вышла на лидирующие позиции в данной области, затратив на это минимальные ресурсы. Может быть, стоит поучиться?
Техническая идея, заложенная в радиотелескопе LOFAR, предполагает наблюдения на волнах существенно более длинных, чем на радиотелескопах, выполнивших основные имеющиеся наблюдения. Это значит, что плоскость поляризации радиоизлучения, приходящего от удаленной галактики, может совершать полный оборот много раз. Наблюдения эти полные обороты не замечают, а для восстановления магнитного поля их число нужно знать. Возникает очень непростая задача расшифровки сигнала, претерпевшего многократные повороты плоскости поляризации. Задача трудная, но не безнадежная. Над ее решением бьются сейчас радиоастрономы многих стран. Прогресс есть, но до полной ясности еще далеко .
Для радиотелескопа SKA запланирован гораздо более широкий диапазон длин волн, который включает и короткие волны. Это очень обнадеживающий факт. Плохо только, что строительство инструмента оттягивается все дальше и дальше, его разработчикам приходится экономить средства, а экономия во многом происходит за счет предполагаемого изучения магнетизма галактик. Ясно, что моему поколению уже не придется работать с данными SKA.
На еще бо льших масштабах
Галактики очень велики по сравнению с Землей, но по масштабам космологии это очень маленькие объекты. Есть ли магнитные поля с еще бо льшими пространственными масштабами, чем в галактиках?
Хорошо известно, что магнитные поля присутствуют в скоплениях галактик. Эти скопления, естественно, намного больше составляющих их элементов. Однако, насколько известно сейчас, магнитные поля в них имеют примерно те же пространственные масштабы, что и галактические магнитные поля.
В мире галактик есть и образования, существенно более впечатляющие, чем спиральные галактики со своими магнитными полями. Это квазары, различные струи (джеты), вытекающие из галактических объектов, и другие активные образования. Во многих из них есть или предполагается магнитное поле. Однако пока не сложились уверенные представления о магнитных полях подобных образований, сопоставимых по масштабам со всем небесным телом. Очень хочется надеяться, что такие поля есть, а опыт изучения магнитных полей спиральных галактик окажется полезным для их изучения.
Можно ли говорить о магнитных полях еще большего, космологического пространственного масштаба? На первый взгляд кажется, что никаких надежд на существование таких магнитных полей нет - Вселенная однородна и изотропна с очень высокой степенью точности, а магнитное поле выделяло бы в ней некоторое направление, нарушая изотропию.
На самом деле в этом наивном рассуждении есть сразу два пробела, которые маскируют возможность бытия для космологических магнитных полей. Во-первых, космологическое магнитное поле может быть мелкомасштабным по космологическим меркам, но будет ли справедливо то же по отношению к галактическим масштабам, заранее неясно. Исследования специалистов по космологии показывают, что в ранней Вселенной действительно могли быть и, по-видимому, образовывались магнитные поля. В самом грубом приближении логика здесь такая. Считается, что первоначально Вселенная была заполнена вакуумом, из которого по мере расширения Вселенной и падения ее температуры рождались всевозможные частицы. В рамках квантовой физики магнитное поле тоже можно трактовать как некоторые частицы. Их образование и есть формирование магнитного поля.
Гораздо более сложен вопрос, являются ли эти магнитные поля крупномасштабными. В определенном смысле ответ положительный. Зеркальная симметрия нарушается не только во вращающейся турбулентности, но и в ядерных реакциях. Это тоже приводит к альфа-эффекту и образованию крупномасштабного магнитного поля. Проблема лишь в том, что данное поле крупномасштабно лишь по меркам той геометрии, которая существовала во время его образования. По меркам же современных галактик пространственный масштаб таких магнитных полей оказывается очень маленьким.
Конечно, проследить, что происходит с магнитным полем, рожденным на самых ранних этапах жизни Вселенной, до настоящего времени, - очень нелегкая задача. Мнения специалистов тут расходятся, но все-таки более вероятным кажется, что подобные космологические магнитные поля прямо не связаны с магнитными полями современных галактик. В частности, этим полям трудно пережить эпоху, когда температура Вселенной уже упала, а галактики еще не родились. В то время галактическое динамо еще не работает, а магнитное поле уже затухает в силу закона Ома - электрическое сопротивление среды становится заметным.
На другую, гораздо более экзотическую возможность обратил в свое время внимание Зельдович. Если однородное магнитное поле достаточно слабое, оно мало нарушает изотропию Вселенной. Конечно, магнитное поле может быть настолько слабым, что оно вообще не представляет никакого интереса для физических процессов в галактиках. Оказывается, что есть зазор между верхней оценкой однородного магнитного поля, которая получается из изотропии Вселенной, и той нижней оценкой, которая сохраняет значение поля для жизни галактик. Этот зазор постепенно сужается, но еще остается значительным.
До недавнего времени наука располагала лишь верхними наблюдательными оценками космологического магнитного поля, поэтому казалось, что идея Зельдовича, оставаясь очень красивой, представляет лишь чисто академический интерес. Однако несколько лет воспитанники отечественной школы физики, работающие сейчас в различных европейских научных центрах, А. Неронов и Д. В. Семикоз привели убедительные наблюдательные аргументы в пользу существования космологического магнитного поля и дали его нижние оценки . Они заметно ниже, чем напряженность магнитных полей галактик, но вполне достаточны для того, чтобы эти магнитные поля остались игроками в астрофизике.
Эти оценки основаны на достаточно сложном анализе реакций элементарных частиц, происходящих в космической среде, и не позволяют судить о пространственном строении магнитного поля. Конечно, не исключено, что данное поле попадает в пространство между галактиками с помощью каких-то физических процессов из самих галактик, но в целом проблема космологических магнитных полей приобрела совсем иное звучание, чем в прежние годы.
Зачем все это знать?
Среди наших современников есть некоторая группа людей, для которых слова магнетизм галактик кажутся достаточно притягательными сами по себе для того, чтобы оправдать исследования в данной области науки. Это можно только приветствовать - наука как область интеллектуальной деятельности людей и способ познания мира не ставит перед собой непосредственных утилитарных целей, практические результаты получаются как побочные продукты ее деятельности. Однако все-таки интересно узнать, есть ли какие-нибудь шансы на то, что изучение магнетизма галактик окажет какое-то воздействие на нашу повседневную жизнь.
Оказывается, дело не так безнадежно, как можно было бы подумать. Попытки воспроизвести механизм динамо в лабораторных условиях предпринимаются начиная с 60-х годов прошлого века. Первые опыты были выполнены отечественными учеными и учеными из ГДР. В качестве проводящей среды, где должно действовать динамо, использовались жидкие металлы, прежде всего натрий, который становится жидким при сравнительно невысоких температурах. Сейчас непросто понять, почему было принято решение организовать работы в Латвии. Задача оказалась очень сложной технически, но упорный труд специалистов увенчался успехом в последние недели истекшего тысячелетия - удалось получить самовозбуждающееся магнитное поле. Правда, специалисты, достигшие успеха, хотя и работали по-прежнему в окрестностях Риги, но представляли иные страны.
Примерно в то же время был запущен и российский экспериментальный проект по изучению динамо. Он реализуется в Перми, в Институте механики сплошных сред. В ходе этого проекта удалось, в частности, впервые в лабораторных условиях измерить альфа-эффект. Экспериментальные проекты по динамо сейчас работают в нескольких странах: во Франции, Германии, России, Латвии и США. Конечно, до технических устройств, использующих механизм динамо, еще очень далеко, однако создание экспериментальной базы по работе с потоками жидких металлов нужно и для многих технических задач. Поэтому у проекта в Перми есть и непосредственная практическая составляющая, но это уже тема другого рассказа 5
Самый мощный магнит на Земле был создан в Лосс-Аламосской национальной лаборатории, США. Он может генерировать магнитное поле в 100.75 Тл (Тесла), что в 2 миллиона раз мощнее магнитного поля Земли, которое составляет 0.00005 Тл. Но это значение — ничто по сравнению с могущественной силой природы, которая создала в глубинах космоса самый мощный магнит, когда-либо обнаруженный человеком.
Этот магнит — одна из разновидностей нейтронной звезды, которая называется магнетаром. Нейтронная звезда рождается, когда массивная звезда, накопив под конец своей жизни слои из различных химических элементов взрывается вспышкой сверхновой. Остающееся после взрыва ядро под действием сил гравитации сжимается настолько сильно, что электроны буквально «входят» в атомные ядра, превращая протоны в нейтроны. В результате, почти вся новородившаяся звезда состоит из нейтронного ядра, а сверху его окружает очень тонкая оболочка из электронов.
Диаметр нейтронной звезды составляет около 20 км — ничто по космическим масштабам. Сколлапсировавшая же звезда могла обладать радиусом несколько миллионов километров, поэтому получившееся в результате вещество обладает невообразимой плотностью — в миллионы раз плотнее воды: одна капля такого вещества весит десятки миллионов тонн. Столь резкий переход от большого размера к малому увеличивает частоту вращения нейтронной звезды и её магнитное поле до умопомрачительных значений.
Нейтронные звезды, обладающие особо сильным магнитным полем и называют магнетарами.
Это интересно: магнитное поле магнетаров настолько мощное, что способно вытянуть все железо из человеческой крови с расстояния в несколько тысяч километров.
Данный тип сколлапсировавших звезд был теоретически открытии в 1992 году, но доказать существование магнетаров на практике удалось лишь в 1998 году, когда один из магнетаров проявил себя мощной вспышкой рентгеновского излучения в созвездии Орла. С развитием техники удалось подтвердить существование в нашей галактике десятков магнетаров, но один из них — SGR 1806-20 – обладает необычайно мощным магнитным полем, составляющим 10 11 Тл (десять в одиннадцатой степени), что в квадриллионы раз сильнее магнитного поля Земли. Дополнительные изучения показали, что магнетар находится на удалении в 50 000 световых лет от Земли, его диаметр вряд ли превышает 20 км, один оборот вокруг своей оси он совершает за 7,5 секунд, а скорость его вращения составляет 30 000 км/ч!
28 декабря 2004 года SGR 1806-20 влияние двадцатикилометрового магнетара, удаленного 50 000 световых лет от Солнечной системы, сполна почувствовала наша Земля – её окрестностей достигло гамма-излучение от взрыва на поверхности магнетара. Подсчитано, что меньше чем за полсекунды SGR 1806-20 выделил количество энергии, эквивалентное количеству энергии, выделяемого Солнцем за 100 000 лет. Если бы человек мог видеть в гамма-диапазоне, то взрыв на поверхности SGR 1806-20 в ночном небе был бы ярче полной луны. Находись магнетар находился в пять раз ближе к Земле — наш озоновый слой был бы уничтожен. Но это не означает, что подобного не может произойти в любую секунду – ведь ближайший от Земли магнетар находится на расстоянии 13 000 световых лет.
Для создания магнитных устройств ученые в свое время использовали разные материалы, включая даже такие экзотические как платина. Однако мощность неодимового магнита оставляла желать лучшего вплоть до 1982 года, когда были открыты и применены потрясающие свойства неодима. С тех пор прошло всего несколько десятилетий, но уже сейчас можно сказать, что этот редкоземельный элемент буквально взорвал технологические процессы разных отраслей промышленности. Прорыв удалось осуществить, благодаря сразу нескольким достоинствам сплава.
Характеристики магнитных изделий
Во-первых, сегодня мы с полной уверенностью можем сказать, что из всего семейства подобных устройств самые мощные - неодимовые магниты. Во-вторых, фантастическая сила сцепления - далеко не единственное достоинство такого рода изделий. Чего только стоит их знаменитая устойчивость к размагничиванию. В то время, как ферритовые аналоги за 20-30 лет практически полностью утрачивают свои характеристики, неодим становится слабее только на пару процентов. А значит, срок его эксплуатации практически неограничен. Все, кому повезло купить мощные неодимовые магниты, смогли убедиться в их внушительных характеристиках.
Помимо прочего, на силу сцепления магнитной продукции серьезно влияют её массогабаритные параметры. Другими словами, чем массивней изделие, тем большая сила потребуется, чтобы оторвать его от железной поверхности. Даже диск 50х30, который весит меньше полкилограмма, не каждый сможет отсоединить от стальной плиты, ведь для этого потребуется усилие сравнимое с подъемом 116 кг. Поэтому все, кто решил купить большой неодимовый магнит, должны помнить о мерах предосторожности в обращении с ним. Старайтесь хранить предметы из неодима подальше от массивных железных вещей, не давайте их детям, не подвергайте грубому механическому воздействию - материал достаточно хрупкий.
Магниты от пары грамм до нескольких килограмм и сцеплением в несколько центнеров Вы сможете найти в каталоге на сайте .
