Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма - Дмитрий Соколов

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].

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.

Казалось бы, в чем проблема? Перелицовка старых работ не кажется таким уж трудным занятием. И в самом деле, на эту тему уже написано довольно много работ, но вопрос все-таки еще далеко не так ясен, как для галактик. Не будем говорить обо всех возникающих в этом разделе теории динамо проблемах, достаточно двух примеров.

Спиральные галактики, по крайней мере ближайшие из них, хорошо видны в достаточно большой телескоп как протяженные объекты. Некоторые из них, например известная всем людям моего поколения по знаменитому когда-то роману И. А. Ефремова туманность Андромеды, видны на небе невооруженным глазом. Очень многие их характеристики, важные для понимания работы динамо, можно непосредственно наблюдать. А аккреционные диски слишком малы для таких наблюдений. Об их строении приходится судить по косвенным признакам. Опыт картирования поверхности звезд показывает, что такое изучение возможно, но от возможности до реальности путь неблизкий.

Другая проблема заключается вот в чем: очевидно, что магнитное поле не падает на ту же туманность Андромеды из внешних источников – просто неоткуда. Для аккреционных дисков в двойных системах это совсем не так очевидно – на звездах двойной системы вполне могут быть свои магнитные поля. Это внешнее магнитное поле, разумеется, ничем не хуже того, которое производится механизмом динамо в самом диске. Задачами о падении и втягивании этого внешнего магнитного поля в аккреционный диск тоже занимаются специалисты, в частности в Челябинске. Но еще до конца не ясно, как сосуществуют оба этих источника магнитного поля в аккреционных дисках.

В общем, пространство для исследований широкое.

Динамо, строго говоря, не создает магнитное поле из ничего, оно лишь экспоненциально быстро усиливает начальное очень слабое магнитное поле.

Отвлекусь немного и поясню смысл ключевого слова предыдущей фразы – «экспоненциально». Когда на первом курсе мы учим студентов основам математического анализа, одна из наших основных задач состоит в том, чтобы они хорошо усвоили шкалу скоростей роста основных элементарных функций. И степенная функция, и логарифм, и показательная функция стремятся к бесконечности (конечно, если основание больше единицы). Но скорости этого роста качественно различаются. Как, по словам Гегеля, любил говаривать Гераклит Эфесский, «прекраснейшая из обезьян безобразна, если ее сравнить с родом человеческим». Философам виднее, а мне самому не приходилось сравнивать. Но идеям математического анализа эта мысль соответствует: чуть основание показательной функции перевалило за единицу – и она растет несоизмеримо быстрее степенной функции. В физике принято стандартизировать запись показательной функции и все их преобразовывать к единому виду с основанием в виде числа Эйлера e – так удобнее дифференцировать и интегрировать. Уклоняющихся от этого правила заводят в темный чулан и там запирают навсегда. Показательная функция с таким основанием и называется экспонентой.

Эта мысль принадлежит вовсе не мне. Рассказывают, как еще молодой, но уже знаменитый Ландау приехал в Ленинград и втолковывал юным ленинградским физикам, что задача теоретиков – выявлять экспоненциальный рост и не обращать внимания на мелочи в виде степеней. Потом юного Зельдовича послали проводить мэтра в кассу, где последнему выдали небольшой полагавшийся ему гонорар. Будущий академик и трижды герой труда застыл в изумлении: мэтр аккуратно пересчитал выданную ему мелочь. «Дау! – воскликнул Зельдович. – Вы же только что объясняли нам, что нужно пренебрегать мелочами. Зачем же вы считали мелочь – ясно же, то кассир не мог ошибиться в десять раз!» На что Ландау ответил фразой, ставшей со временем крылатой: «Деньги стоят в экспоненте!»

Человек, намеревающийся стать физиком, обязан понимать смысл этого исторического анекдота. Поэтому про начальное – затравочное – магнитное поле можно на первых порах сказать, что уж какое-нибудь найдется, а дальше экспонента его подхватит и «выведет в люди».