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

Чтобы наблюдать далекие галактики, нужны телескопы с высокой чувствительностью и большим диаметром. Улавливается больше излучения, а разрешающая способность телескопов выше – вспомним Аббе.

Многие радиотелескопы похожи внешне на параболические телевизионные антенны, которые стоят на многих деревенских домах. Точнее, телевизионные антенны сделаны по образцу этих телескопов.

Телескоп в Эффельсберге был и остается одним из самых больших телескопов с одним большим параболическим зеркалом. Их так и называют – single dish. Конечно, в словарях есть перевод этого выражения, но на практике его употребляют без перевода. Вспоминается пушкинское: «Шишков, прости, не знаю, как перевести». Диаметр зеркала – 100 метров. Понятно, что размер нельзя существенно увеличить просто по техническим причинам: махину надо держать на весу и наводить на нужную область неба.

Следующим этапом в развитии радиотелескопов стали интерферометры: два сравнительно небольших зеркала расположены на большом расстоянии друг от друга. Так можно существенно – до космических масштабов – увеличить диаметр системы, который – опять ссылка на Аббе – определяет разрешающую способность инструмента. Такие телескопы называются интерферометрами. По этому пути пошла, с легкой руки Н. С. Кардашёва, отечественная радиоастрономия. Это привело к созданию космического радиотелескопа «Радиоастрон», использование которого в совокупности с наземными радиотелескопами позволило создать интерферометр с рекордным угловым разрешением.

Однако для исследования космического магнетизма, да и много для чего другого еще, важна и чувствительность, которую трудно обеспечить на интерферометре. Возникает идея создания огромного телескопа, состоящего из многих индивидуальных приемников радиоизлучения.

Первый радиотелескоп такого типа – знаменитый теперь LOFAR – был разработан в Нидерландах. (Нас учат в таком случае не говорить «в Голландии».) Это совершенно правильно: деревня Двингелоо, где установлена его центральная часть, находится в провинции Дренте. Нидерланды очень населенная страна, но Двингелоо – глухая деревня, не хуже той, в которой я сейчас отбываю режим самоизоляции.

А вот в целом телескоп LOFAR установлен почти во всем Европейском союзе, вплоть до Кракова и Ирбене в Латвии. Помните про успехи польских радиоастрономов? Вот они. А деньги на этот телескоп пришли от нефтяных сверхдоходов, которые когда-то получили Нидерланды. Берет зависть.

Жители Нидерландов на редкость экономные люди. Каждый, кто там бывал, может подтвердить. Поэтому при строительстве этого инструмента был применен трюк, когда-то предложенный украинским радиоастрономом С. Я. Брауде, который уже очень давно построил прототип такого радиотелескопа в Харькове.

Изюминка идеи состоит в том, что наблюдения ведутся на длинах волн больше метра. Это значит, что телескоп должен быть сделан с точностью до четверти метра – опять привет Аббе, – а это вполне достижимая задача. Поэтому приемники можно создавать в виде простых Т-образных антенн, которые раньше в изобилии стояли на крышах наших домов. Построить множество таких антенн в самых разных местах Земли – дело нехитрое и не очень дорогое. Главное – научиться собирать с них сигналы и обрабатывать их совместно – так же, как мы видим одновременно двумя глазами. Только в телескопе глаз-антенн много и расположены они в сотнях километров друг от друга. Это задача из области компьютерных наук, а ее решение может привести к резкому развитию компьютерных технологий.

Но все же возможности LOFAR ограниченны. Поэтому уже несколько десятков лет радиоастрономы всего мира постепенно приближаются к строительству радиотелескопа нового типа – он называется SKA и отличается от LOFAR тем, что может работать и на сантиметровых волнах, а его приемники представляют собой параболические антенны, расставленные на большой площади. Он должен работать так, как работал бы телескоп в Эффельсберге, если бы его площадь составляла один квадратный километр. Собственно, название строящегося радиотелескопа и выражает (с помощью английской аббревиатуры) эту идею. Попробую дожить до дня, когда SKA войдет в строй.

Мало того, наблюдения магнитных полей нужно проводить на большом наборе длин волн. Чем больше, тем лучше. Вычисление меры фарадеевского вращения требует как минимум двух длин волн, и чем их больше, тем больше других полезных свойств магнитного поля можно вытянуть из наблюдений.

В старых радиотелескопах наблюдение на каждой длине волны требует своего приемника. Таких различных приемников можно завести два, три, а от щедрот наших – четыре-пять. Однако со временем удалось создать широкополосные приемники, с помощью которых можно принимать с практически непрерывным заполнением шкалы длин волн. Это еще один прорыв в технике наблюдений, связанный с изучением магнитных полей галактик.

Заключение

В конце работы принято подводить какие-то итоги. Этому учили еще классики античной риторики.

Мы обсудили, что сейчас физики и астрономы думают о строении и природе магнитных полей небесных тел. Вся эта картина в целом создает, как мне кажется, несколько странное впечатление. Видно, что, как любил говорить в подобных случаях один мой знакомый, проделана огромная работа. Кое-что действительно стало более или менее ясно, но язык не повернется сказать, что все важные вопросы нашли простые и точные ответы. Даже на четкий и прямолинейный вопрос о том, насколько сильно магнитное поле Солнца, ответ дается сложный и расплывчатый. Теоретические объяснения тоже сложные и не сводящиеся к самым понятным схемам, про которые написано в школьных учебниках. Главное же, что остается не совсем ясным: почему мы стали счастливее, узнав, что такое альфа-эффект и турбулентная диффузия? Даже представители парфюмерной промышленности не спешат объявить работы по турбулентной диффузии основой для своей деятельности. Хорошо, конечно, что физики упорно работали в Риге 35 лет и достигли экспериментального подтверждения работы динамо, немецкие радиоастрономы научились наблюдать магнитные поля галактик, а российские физики измерили альфа-эффект, но как все это использовать в народном хозяйстве, а главное, не могли бы мы обойтись без всего этого?

У меня нет полного ответа на все эти вопросы, но кажется, что нужно иметь в виду вот что. Наука сама по себе совсем не преследует цель облагодетельствовать кого-нибудь и достичь какого-нибудь практического результата. Поколения мужей науки от Аристотеля до Лысенко пытались нарушить этот завет – и всегда с катастрофическими результатами. Мне кажется, это происходит потому, что, ориентируясь на пользу, человек не может удержаться в рамках того открытого и непредвзятого взгляда на мир, который и составляет суть науки.

Ну а что же с практической пользой? Она, безусловно, приходит, но, как любил говорить тот же Аристотель, акцидентально, не являясь непосредственной целью научного исследования. Говоря проще, люди работают, работают, не думая особенно о практической пользе, – а смотришь, через какое-то время из этих усилий и вырастает что-то полезное. Или вредное. Вроде мобильного телефона.

Есть и другие, более специфические мысли, которые приходят в голову по поводу магнитных полей в небесных телах. Мы начали разговор об их природе с того, что происхождение эти магнитных полей никак не может быть связано с такими явлениями квантовой механики, как ферромагнетизм. Это правильное утверждение, от которого совсем не хотелось бы отказываться. Ферромагнетизм возникает из-за того, что в одном направлении выстраиваются спины, то есть своеобразные векторы внутреннего вращения отдельных атомов. Ничего подобного, разумеется, не может происходить на Солнце или в галактиках. Однако выстраивание в одном направлении спинов разве не напоминает чем-то закручивание в одном направлении вихрей жидкости? Напомним, что на этом закручивании держится альфа-эффект – основа всего процесса, приводящего к появлению космических магнитных полей.