Книга Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма - Дмитрий Соколов

В принципе, можно обсуждать, не выброшено ли магнитное поле скопления каким-то образом из отдельных галактик, но жизнь астронома была бы значительно легче, если бы специалисты по динамо предложили какой-то механизм образования магнитного поля в самом скоплении. Не нужно было бы искать механизмы, выбрасывающие его из галактик.

Пожалуй, главное с точки зрения теории динамо отличие скоплений галактик от отдельных галактик и звезд состоит в том, что скопления не вращаются. Во всяком случае, мы не видим явных следов этого вращения. В то же время можно надеяться, что какие-то потоки вещества в межгалактическом пространстве есть. Другими словами, нам нужен вариант динамо, не связанный с общим вращением небесного тела.

Такой механизм – его называют турбулентным или мелкомасштабным динамо – действительно был предложен А. П. Казанцевым из Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау еще в 1966 г.[17], всего через год после работы Штеенбека, Краузе и Рэдлера. Александр Петрович принадлежал к совсем иной научной школе, чем авторы представлений о динамо среднего поля. Связь между его идеями и идеями Паркера и Штеенбека стала ясна только лет через 30. Нарушение зеркальной симметрии его совсем не интересовало. В том же 1966 г. к аналогичным идеям, но в чуть менее ясно сформулированной форме, пришел американский специалист по теории турбулентности Роберт Крейчнан.

Я с большим уважением отношусь к своим американским коллегам, но они, естественно, больше интересуются наукой своей страны. И конечно, я тоже чаще цитирую отечественных авторов, выбирая их даже на бессознательном уровне. Нужно считаться с реальностью: американская наука сейчас явно гораздо успешнее российской. На этом фоне было бы естественно ожидать, что мелкомасштабное динамо будет связано с именем Крейчнана. Однако ничего подобного: в современной науке уверенно говорят о модели Казанцева или даже Казанцева – Крейчнана. Несомненно, это высокая оценка вклада отечественной науки в теорию динамо. Она дорогого стоит. Не могу не сказать, что в этой же области науки очень известно имя еще одного отечественного физика – Р. С. Ирошникова, и говорят о спектре того же Крейчнана и Ирошникова. Пишу об этом с особым удовольствием, потому что долгое время мы жили с Ирошниковым в Москве в соседних квартирах.

Чтобы объяснить отличие мелкомасштабного динамо от динамо среднего поля, вспомним еще раз про восьмерку Зельдовича. В динамо среднего поля петля магнитных линий растягивается дифференциальным вращением. Однако турбулентные потоки тоже умеют растягивать петли – с этим вообще особых проблем не возникает. Уж какие ни есть в среде потоки, они всегда разносят в разные стороны находящуюся в них примесь, даже если эта примесь такая необычная, как магнитное поле.

Гораздо более серьезное отличие в том, что в динамо среднего поля магнитная петля перекручивается в восьмерку и складывается альфа-эффектом. Этот эффект выбирает, вправо или влево скручивать восьмерку, – недаром важна зеркальная асимметрия задачи. Из-за этого и возникает крупномасштабное магнитное поле. Само по себе скручивание вихрей в восьмерку происходит и в зеркально-симметричном течении: вихри-то крутятся. Однако теперь нет выделенного направления закручивания вихрей, поэтому и магнитное поле получается мелкомасштабным.

Вроде теоретические ожидания дают примерно то же, что и наблюдения. Однако в целом и механизм мелкомасштабного динамо изучен гораздо меньше, чем динамо среднего поля, да и наблюдения магнитных полей скоплений галактик гораздо менее определенны, чем наблюдения магнитных полей галактик.

2. Магнитные поля джетов и другая экзотика в мире галактик

До сих пор мы говорили о галактиках, в которых не происходит никаких особенных событий: они не сталкиваются, не выбрасывают из себя вещество, не проявляют никаких других признаков активности. Конечно, всегда лучше начинать с чего-нибудь простого, а уже потом переходить к более сложному и менее понятному. Так мы и поступали, но все-таки хочется перейти и к экзотике, тем более что в мире галактик экзотики хватает. Специалисты по таким необычным объектам постоянно предполагают, что эта необычность как-то связана с магнитным полем. Это считается хорошим тоном.

Чтобы решать проблемы магнитного поля, хорошо бы сначала разобраться в гидродинамике объекта, понять, что, куда и почему течет. Для этого, в свою очередь, неплохо знать, какие действуют магнитные силы. Возникает замкнутый круг, так что разбираться в проблеме приходится шаг за шагом, решая этот кроссворд.

Не будем пытаться охватить все разнообразие мира галактик – в нем слишком много неизвестного и неясного. По таким поводам Я. Б. Зельдович любил вспоминать текст, якобы напечатанный когда-то в журнале «Сатирикон»: «История мидян делится на три периода – поздний, средний и ранний. Про первый из них не известно ничего, про второй известно еще меньше, и т. д.». Попробуем поговорить о том, в чем хоть как-то удается разобраться.

Из центральных областей многих галактик бьют узкие струи вещества. Такие струи принято называть на английский манер джетами – так красивее. Откуда берутся эти струи, почему они такие тонкие (их называют «коллимированные»), из чего они состоят и т. д., мы говорить не будем. Пусть об этом говорят специалисты.

Джеты встречаются не только в мире галактик, но и в мире звезд. Не будем отвлекаться и на это. Для нас важно, что в джетах (по крайней мере, в некоторых) видно магнитное поле. Его наблюдают в принципе так же, как магнитное поле спиральных галактик, – по поляризации радиоизлучения и его фарадеевскому вращению. Конечно, теоретики немедленно находят этому магнитному полю полезные применения в теории джетов. Например, оно помогает объяснять, почему джеты такие тонкие и длинные.

По данным наблюдений, магнитное поле навивается на джет, как электрический провод – на соленоид. Немедленно рождается идея о том, что джет вращается вокруг своей оси. В такой вращающейся струе проводящей среды может работать немного другой вид динамо, а не обычное динамо в галактических дисках. Мы уже немного говорили о нем – оно называется динамо Пономаренко или винтовым. На нем основаны лабораторные эксперименты по динамо, и мы обсудим его работу в этой связи чуть позже. Сейчас важно понимать следующее: для винтового динамо необходимо, чтобы джет вращался вокруг своей оси. Специалисты говорят, что предположение очень правдоподобно, но никаких наблюдений этого вращения нет. Понятно, что свойства этого вращения – если оно и есть – тоже совершенно неизвестны. Однако если динамо Пономаренко в джетах действительно работает, то оно производит магнитное поле, очень напоминающее то, которое видно в наблюдениях.

Выяснение того, вращаются ли джеты, – специальный вопрос наблюдательной астрономии. От специалистов по динамо здесь польза только в том, чтобы привлечь внимание к задаче. Зато специалист по динамо может помочь в осмыслении наблюдений магнитного поля в джетах. Здесь есть о чем рассказать.