самое сильное магнитное поле
Ученые обнаружили самое сильное магнитное поле во Вселенной
Астрономы обнаружили самое сильное известное магнитное поле во Вселенной. Команда изучила сверхмощные рентгеновские сигналы, исходящие от нейтронной звезды, и подсчитала, что магнитное поле космического объекта в десятки миллионов раз превосходит любое искусственное поле, созданное на Земле.
Фото: wikipedia.org
Нейтронная звезда под обозначением GRO J1008-57, также является специфическим источником импульсов под названием рентгеновский пульсар. Звезда испускает мощные лучи электромагнитного излучения, которые периодически доходят до Земли, как луч маяка.
Космический мусор и другой материал регулярно падает на поверхность объекта, вызывая периодические энергетические вспышки рентгеновского излучения, которые могут быть обнаружены телескопами с Земли. Астрономы из Китайской академии наук и Тюбингенского университета (Германия) изучили одну из этих вспышек, чтобы вычислить силу магнитного поля пульсара.
Вспышка произошла в августе 2017 года. В это время астрономы наблюдали пульсар с помощью телескопа с модуляцией жесткого рентгеновского излучения (Insight-HXMT). Ученые обнаружили особенность, которая называется функция циклотронного резонансного рассеяния (CRSF) — это закономерность, которая возникает, когда рентгеновские фотоны рассеиваются электронами плазмы на поверхности.
Функцию измерили при энергии 90 килоэлектронвольт (кэВ), и на основании этого команда вычислила, что магнитное поле пульсара достигает одного миллиарда тесла (Тл). Для сравнения, самое сильное магнитное поле, созданное на данный момент в лаборатории, составляет около 1 200 Тл.
Хотя на данный момент это самое мощное поле, что было обнаружено напрямую, предполагается, что есть даже более интенсивные версии нейтронных звезд. Такие объекты называются магнетарами, и они обладают исключительно сильным магнитным полем (величиной до 100 млрд Тл).
Исследование было опубликовано в журнале Astrophysical Journal Letters.
Звезда с самым мощным магнитным полем во Вселенной
Эта нейтронная звезда, получившая обозначение GRO J1008-57, принадлежит к очень специфическому подтипу — аккрецирующему рентгеновскому пульсару. Как пульсар, он испускает мощные лучи электромагнитного излучения, которые периодически проходят по Земле, как луч маяка. Описание «аккрецирующего рентгеновского излучения» исходит из того факта, что на его поверхность постоянно попадает космическое вещество, вызывая периодические энергетические вспышки рентгеновского излучения, которые могут быть обнаружены телескопами.
И недавно команда из Китайской академии наук и Университета Эберхарда Карла в Тюбингене изучила одну из этих вспышек, чтобы вычислить силу магнитного поля пульсара.
Во время вспышки в августе 2017 года астрономы наблюдали пульсар с помощью телескопа с модуляцией жесткого рентгеновского излучения (Insight-HXMT). Они отметили особенность, называемую функцией циклотронного резонансного рассеяния (CRSF). Это закономерность, которая возникает, когда рентгеновские фотоны рассеиваются электронами плазмы на поверхности.
Этот CRSF был измерен при энергии 90 кэВ, и на основании этого команда вычислила, что магнитное поле пульсара достигает 1 миллиарда тесла. Это, безусловно, самое мощное магнитное поле, когда-либо обнаруженное во Вселенной! Для справки: самое сильное магнитное поле, созданное на данный момент в лаборатории, составляет «всего лишь» 1200 Тесла.
Магнитные щиты планет. О разнообразии источников магнитосфер в солнечной системе
6 из 8 планет солнечной системы обладают собственными источниками магнитных полей, способные отклонять потоки заряженных частиц солнечного ветра. Объем пространства вокруг планеты, в пределах которого отклоняется от траектории солнечный ветер, именуется магнитосферой планеты. Несмотря на общность физических принципов генерирования магнитного поля, источники магнетизма, в свою очередь, сильно варьируются у разных групп планет нашей звездной системы.
Изучение разнообразия магнитных полей интересно тем, что наличие магнитосферы, предположительно, является важным условием для возникновения жизни на планете или ее естественном спутнике.
Железом и камнем
У планет земной группы сильные магнитные поля являются скорее исключением, чем правилом. Наиболее мощной магнитосферой в данной группе обладает наша планета. Твердое ядро Земли предположительно состоит из железоникелевого сплава, разогретого радиоактивным распадом тяжелых элементов. Эта энергия передается путем конвекции в жидком внешнем ядре в силикатную мантию (подробнее). Тепловые конвективные процессы в металлическом внешнем ядре до недавнего времени считались главным источником геомагнитного динамо. Однако исследования последних лет опровергают данную гипотезу.
Взаимодействие магнитосферы планеты (в данном случае Земли) с солнечным ветром. Потоки солнечного ветра деформируют магнитосферы планет, которые имеют вид сильно вытянутого магнитного «хвоста» направленного в противоположном от Солнца направлении. Магнитный «хвост» Юпитера тянется на более чем 600 млн км.
Предположительно источником магнетизма за время существования нашей планеты могло быть сложное сочетание различных механизмов генерирования магнитного поля: первичная инициализация поля от древнего столкновения с планетоидом; не тепловая конвекция различных фаз железа и никеля во внешнем ядре; выделения оксида магния из охлаждающегося внешнего ядра; приливное влияние Луны и Солнца и т.д.
Недра «сестры» Земли — Венеры практически не генерируют магнитного поля. Ученые до сих пор ведут споры о причинах отсутствия динамо эффекта. Одни обвиняют в этом медленное суточное вращение планеты, другие же возражают, что и этого должно было хватить для генерирования магнитного поля. Скорее всего, дело во внутренней структуре планеты, отличной от земной (подробнее).
Стоит оговориться, что Венера обладает так называемой индуцированной магнитосферой, создаваемой взаимодействием солнечного ветра и ионосферы планеты
Наиболее близок (если не сказать, идентичен) к Земле по длительности звездных суток Марс. Планета вращается вокруг своей оси за 24 часа, так же как и два вышеописанных «коллеги» гиганта состоит из силикатов и на четверть из железоникелевого ядра. Однако Марс на порядок легче Земли, и, по мнению ученых, его ядро остыло относительно быстро, поэтому планета не имеет динамо генератора.
Внутреннее строение железосиликатных планет земной группы
Парадоксально, но второй планетой в земной группе, которая может «похвастаться» собственной магнитосферой является Меркурий – наименьшая и самая легкая из всех четырех планет. Его близость к Солнцу предопределила специфические условия, при которых сформировалась планета. Так в отличие от остальных планет группы, у Меркурия чрезвычайно высокая относительная доля железа к массе всей планеты – в среднем 70%. Его орбита имеет наиболее сильный эксцентриситет (отношение ближайшей от Солнца точки орбиты, к наиболее удаленной) среди всех планет солнечной системы. Данный факт, а так же близость Меркурия к Солнцу усиливают приливное влияние на железное ядро планеты.
Схема магнитосферы Меркурия с наложенным графиком магнитной индукции
Научные данные, полученные космическими аппаратами, позволяют предположить, что магнитное поле генерируется движением металла в расплавленном приливными силами Солнца ядре Меркурия. Магнитный момент этого поля в 100 раз слабее Земного, а размеры сравнимы с размерами Земли, не в последнюю очередь из за сильного влияния солнечного ветра.
Магнитные поля Земли и планет гигантов. Красная линия — ось суточного вращения планет (2 — наклон полюсов магнитного поля к данной оси). Синяя линия — экватор планет (1 — наклон экватора к плоскости эклиптики). Магнитные поля представлены желтым цветом (3 — индукция магнитного поля, 4 — радиус магнитосфер в радиусах соответствующих планет)
Металлические гиганты
Планеты гиганты Юпитер и Сатурн обладают крупными ядрами из горных пород, массой в 3-10 земных, окруженные мощными газовыми оболочками, на которые, и приходиться подавляющая часть массы планет. Однако эти планеты обладают чрезвычайно крупными и мощными магнитосферами, и их существование нельзя объяснить лишь динамо-эффектом в каменных ядрах. Да и сомнительно, что при таком колоссальном давлении там вообще возможны явления, подобные тем, что происходят в ядре Земли.
Ключ к разгадке находится в самой водородно-гелиевой оболочке планет. Математические модели показывают, что в недрах этих планет водород из газообразного состояния постепенно переходит в состояние сверхтекучей и сверхпроводящей жидкости – металлический водород. Металлическим его называют из-за того, что при таких значениях давления водород проявляет свойство металлов.
Внутреннее строение Юпитера и Сатурна
Юпитер и Сатурн, как и свойственно планетам гигантам, сохранили в недрах большую тепловую энергию, накопившуюся в период формирования планет. Конвекция металлического водорода переносит эту энергию в газовую оболочку планет, определяя климатическую обстановку в атмосферах гигантов (Юпитер излучает в космос вдвое больше энергии, чем получает от Солнца). Конвекция в металлическом водороде в сочетании с быстрым суточным вращением Юпитера и Сатурна, предположительно и образуют мощные магнитосферы планет.
У магнитных полюсов Юпитера, как и на аналогичных полюсах остальных гигантов и Земли, солнечный ветер вызывает «полярные» сияния. В случае Юпитера, существенное влияние на его магнитное поле производят такие крупные спутники как Ганимед и Ио (виден след от потоков заряженных частиц, «текущих» с соответствующих спутников к магнитным полюсам планеты). Изучение магнитного поля Юпитера является основной задачей работающей на его орбите автоматической станции «Юнона». Понимание происхождения и структуры магнитосфер планет гигантов может обогатить наши знания о магнитном поле Земли
Ледяные генераторы
Ледяные гиганты Уран и Нептун так похожи друг на друга по размерам и массе, что их можно назвать второй парой близнецов в нашей системе, после Земли и Венеры. Их мощные магнитные поля занимают промежуточное положение между магнитными полями газовых гигантов и Земли. Однако и тут природа «решила» соригинальничать. Давление в железокаменных ядрах этих планет все еще слишком велико для динамо эффекта вроде земного, однако недостаточно для образования слоя металлического водорода. Ядро планеты окружено мощным слоем льда из смеси аммиака, метана и воды. Этот «лед» на самом деле представляет собой чрезвычайно нагретую жидкость, которая не вскипает исключительно из-за колоссального давления атмосфер планет.
Внутреннее строение Урана и Нептуна
Ось магнитного поля Урана, как и у Нептуна, сильно смещена относительно центра планеты. Справа сияние атмосферы у магнитных полюсов Урана (белое пятно) снятые телескопом Хаббла
Как и в случае с газовыми гигантами, тепло из недр планет передается конвективными процессами в атмосферу Нептуна и Урана. Математические модели показывают, что жидкость из метана, аммиака и воды обладает высокой электропроводимостью. На определенной глубине этой ледяной мантии, в тонкой прослойке, давление становиться благоприятным для того, что бы гидродинамический эффект от конвекции начал генерировать магнитные поля планет.
Астрономы обнаружили самое сильное магнитное поле во Вселенной
Астрономы обнаружили самое сильное магнитное поле, когда-либо наблюдаемое во Вселенной. Изучая мощные рентгеновские сигналы, исходящие от нейтронной звезды, ученые подсчитали, что ее магнитное поле в десятки миллионов раз сильнее, чем любое из когда-либо созданных в лаборатории здесь, на Земле.
Эта нейтронная звезда, получившая обозначение GRO J1008-57, принадлежит к очень специфическому подтипу — аккрецирующему рентгеновскому пульсару.
Как пульсар, она испускает мощные лучи электромагнитного излучения, которые периодически проходят по Земле, как луч маяка. Описание «аккрецирующего рентгеновского излучения» исходит из того факта, что материал регулярно падает на его поверхность, вызывая периодические энергетические вспышки рентгеновского излучения, которые могут быть обнаружены телескопами.
И теперь команда исследователей из Китайской академии наук и Университета Эберхарда Карла в Тюбингене изучила одну из этих вспышек, чтобы вычислить силу магнитного поля пульсара.
Во время вспышки в августе 2017 года астрономы наблюдали пульсар с помощью телескопа с модуляцией жесткого рентгеновского излучения (Insight-HXMT).
Они отметили отличительную особенность, называемую функцией циклотронного резонансного рассеяния (CRSF), закономерность, которая возникает, когда рентгеновские фотоны рассеиваются электронами плазмы на поверхности.
Этот CRSF был измерен при энергии 90 кэВ, и на основании этого ученые вычислили, что магнитное поле пульсара достигает миллиарда тесла.
Это, безусловно, самое мощное магнитное поле, когда-либо обнаруженное во Вселенной — для справки, самое сильное магнитное поле, созданное на данный момент в лаборатории, составляет «всего лишь» 1200 Тесла. Для сравнения: отклоняющие дипольные магниты Большого адронного коллайдера имеют мощность от 0,54 до 8,3 Тл.
Хотя это самое сильное магнитное поле, что было обнаружено напрямую, предполагается, что более «интенсивные версии» нейтронных звезд, называемые магнетарами, могут иметь магнитные поля величиной до 100 миллиардов Тесла.
В германской лаборатории получено самое сильное искусственно созданное магнитное поле.
Исследователи из Лаборатории сильных магнитных полей (High Magnetic Field Laboratory, HZDR) в Дрездене установили новый мировой рекорд, создав самое сильное магнитное поле, полученное искусственным путем. Используя двухслойную катушку индуктивности, весом в 200 килограмм и размерами, сопоставимыми с размерами обычного ведра, им удалось получить в течение нескольких десятков миллисекунд магнитное поле по величине равное 91.4 тесла. В качестве справки приведем, что предыдущий рекорд в этой области составлял 89 тесла, державшийся много лет, который был установлен исследователями из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, США.
Для того, что бы воспрепятствовать саморазрушению катушки под воздействием собственного магнитного поля, немецкие ученые «одели» витки катушки в «корсет» из гибкого и прочного материала, наподобие того, который используется в бронежилетах. Такое решение дало ученым в руки катушку, способную без разрушения вырабатывать магнитное поле силой в 50 тесла в течение двух сотых долей секунды. Следующий их шаг был вполне предсказуем, к первой катушке они добавили еще одну катушку из 12 слоев, так же заключенную в «корсет» из волокна. Вторая катушка способна выдерживать магнитное поле в 40 тесла, но суммарное магнитное поле от двух катушек, полученное с помощью некоторых ухищрений, по значению превысило порог в 90 тесла.
Но люди все-таки нуждаются в очень сильных магнитах. Более мощные магнитные поля, имеющие точную заданную форму, позволяют лучше изучать и измерять некоторые свойства новых материалов, которые постоянно изобретаются и создаются учеными. Поэтому этот новый мощнейший электромагнит был оценен по достоинству некоторыми учеными в области материаловедения. Исследователи из HZDR уже получили заказы на шесть таких электромагнитов, которые они должны изготовить в течение следующих нескольких лет.