Изучение солнечной короны в лабораторных условиях привело физиков Калифорнийского технологического института (Caltech) к открытию нового состояния равновесия магнитного поля и связанной с ним плазмы.
Внешняя часть атмосферы Солнца имеет гораздо меньшую плотность, чем само светило, но при этом в миллион раз горячее. Корона состоит из сильных магнитных полей, удерживающих плазму — газообразную смесь заряженных частиц (электронов и ионов). Новое состояние равновесия, названное двойной спиралью, применимо не только к солнечной короне, но и к гораздо более крупным астрофизическим объектам, таким как туманность Двойная Спираль, расположенная недалеко от центра нашей Галактики.
Солнечные вспышки часто состоят из магнитных жгутов плазмы. Их можно представить как заполненный плазмой садовый шланг, по которому спиралью обвита полоса. Вдоль шланга течет электрический ток, а спиральная полоса соответствует скрученному магнитному полю. Поскольку плазма заряжена, она проводит электрические токи и как бы «вморожена» в магнитные поля.
Магнитные жгуты плазмы встречаются в различных ситуациях, начиная от локального масштаба, как, например, лабораторный эксперимент, о котором ниже, и вплоть до совершенно огромных — солнечных вспышек длиной в несколько сотен тысяч километров. Астрофизические объекты с магнитными жгутами и вовсе могут простираться на сотни или даже тысячи световых лет.
В большой лабораторной вакуумной камере ученые воссоздавали копии солнечных вспышек размером от 10 до 50 сантиметров. С результатами захватывающих экспериментов и описывающей их математикой можно ознакомиться в журнале Physical Review Letters.
«У нас есть два электрода внутри вакуумной камеры, в которой находятся катушки, создающие магнитное поле между ними. Мы прикладываем высокое напряжение к электродам, чтобы ионизировать изначально нейтральный газ и образовать плазму. Получившаяся намагниченная плазменная конфигурация автоматически формирует скрученную структуру», — рассказывает бывший аспирант Caltech Ян Чжан, ныне постдокторант НАСА в Принстоне.
Эта скрученная структура состоит из двух магнитных жгутов, которые обвиваются друг вокруг друга, образуя двойную спираль. Опыты показали, что спираль эта находится в стабильном равновесии — другими словами, она сохраняет свою структуру, не стремясь закрутиться туже или раскрутиться.
Хотя свойства одиночных магнитных жгутов хорошо известны, скрученные жгуты не настолько хорошо изучены — особенно те конфигурации, в которых электрические токи текут в одном направлении обеих скрученных нитей. Ученые моделировали другую возможную ситуацию — когда токи текут в одном направлении в одном жгуте и в противоположном направлении в другом — но этот сценарий считается маловероятным в природе.
Конфигурация с одинаковым направлением токов особенно важна, потому что она была бы подвержена изгибанию и расширению под действием кольцевых сил — явлений, наблюдаемых как в скрученных солнечных структурах, так и в лабораторных экспериментах. Такое изгибание и расширение не должно происходить, когда токи в скрученных нитях текут в противоположных направлениях — тогда они компенсируются.
Раньше предполагалось, что скрученные магнитные жгуты, в которых ток течет в одном направлении, должны сливаться, поскольку параллельные токи притягиваются друг к другу магнитным полем. Однако в 2010 году исследователи из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе обнаружили, что такие жгуты, наоборот, отталкиваются друг от друга при сближении.
© a) Passeto et al., Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF; (b) NASA/JPL-Caltech/M. Morris (UCLA); (c) High Altitude Observatory Archives; (d) Yang Zhang, Caltech Bellan Plasma Lab
«Очевидно, происходит нечто более сложное, когда жгуты скручены — и теперь мы показали, что именно», — говорит профессор прикладной физики Пол Беллан.
По его словам, компоненты токов вдоль жгутов параллельны и притягиваются, «обвивающие» компоненты отталкиваются.
«Это сочетание как притягивающих, так и отталкивающих сил дает критический спиральный угол, при котором они уравновешиваются, — резюмирует профессор. — Если спиральные жгуты закручены туже, возникнет слишком сильное магнитное отталкивание; если они слабее — слишком большое притяжение. При критическом угле скручивания спиральная структура приходит в состояние с наименьшей энергией, или равновесие».
Следующей задачей было создать математическую модель этого поведения — чего раньше не делали. Применив то, что Беллан называет «грубой математикой», Ян составил набор уравнений, которые можно применить к нескольким магнитным жгутам в различных конфигурациях, включая скрученные, и показал, что действительно возможно достижение равновесия между притягивающими и отталкивающими силами.
«И в качестве неожиданного бонуса Ян может рассчитать магнитные поля внутри и снаружи жгутов, а также ток и давление внутри них, что дает нам полную картину поведения этих скрученных структур», — доволен Беллан.
Ян проверил свою математическую модель на примере туманности Двойная Спираль — астрофизического плазменного образования размером 70 световых лет, расположенного в 25 000 световых годах от Земли.
«Что было довольно удивительно в этих расчетах — так это то, что Чжану не нужно было знать много о туманности», — признается Беллан.
По его словам, по диаметру нитей и периодичности скручивания Ян рассчитал угол закручивания — и он совпадает с наблюдениями.
«Один из самых захватывающих аспектов этого исследования заключается в том, что магнитогидродинамика — теория намагниченной плазмы — оказывается фантастически масштабируемой. Когда я впервые начал изучать это, я думал, что явления магнитных структур в разных масштабах качественно схожи, но из-за больших различий в размерах их нельзя описать одними и теми же уравнениями. Оказывается, это не так. То, что мы видим в лабораторных экспериментах, а также в солнечных и астрофизических наблюдениях, подчиняется одной математике», — заключил физик.
