Если бы это было так просто, ученые понимали бы все о том, что происходит на Солнце. Но на самом деле Солнце устроено невероятно сложно, внутри у него находится обширная система движущегося газа. От тепла ядра газ поднимается[8], генерируя исполинские газовые конвейерные ленты высотой свыше 160 000 км, движущиеся вверх и вниз внутри Солнца. Другие реки газа похожи на высотное струйное течение на Земле, а третьи текут на север и также на юг. Солнце становится больше похоже на клубок извивающихся червей, чем на простой газовый шар. Похоже на карту Токио, но в трех измерениях и изменяющуюся с течением времени. В результате магнитное поле Солнца — просто кошмар, в нем жутко сложно разобраться. Плюс, однако, в том, что благодаря ему множество гелиофизиков не слоняются по улицам.
Все это, вместе взятое, и создает солнечное динамо. Внутри Солнца протекают токи из заряженных частиц. Так как эти токи движутся в магнитном поле, они и сами генерируют магнитное поле, в результате вся система усиливает саму себя. В данном случае пусковая рукоятка — само Солнце, собственным вращением прикладывающее механическую энергию, необходимую для того, чтобы генерировать динамо. Солнце огромное и массивное, поэтому в энергии вращения недостатка нет. Солнечное магнитное поле создается за счет вращения Солнца, но, чтобы хоть сколь-нибудь заметно его затормозить, энергия должна расходоваться миллиарды лет.
Солнечное магнитное поле устроено сложно и интересно, и под интересным я, конечно же, подразумеваю «опасное».
Или вы забыли, какой у этой книги заголовок?
Магнитный пузырь, катушка и неприятности
Ранее я упоминал, что звезде можно дать следующее определение: объект, в центре которого происходит ядерный синтез, а стремление к расширению, обусловленное генерируемой энергией, уравновешивается силами тяготения.
В этом отношении звезды — это упражнение на соблюдение баланса. Если бы их силы тяготения были слабее, они бы раздулись или взорвались. Если бы они генерировали чуть меньше энергии, они бы сжались или пережили гравитационный коллапс (оба этих явления будут описаны подробнее в следующих главах). В стабильной звезде существует деликатный баланс между вращением, химическим составом, силами тяготения, теплом, давлением и да, магнитным полем.
Но иногда система дает сбой.
На иллюстрации простого магнитного поля вы обычно видите группу линий, выходящих из полюсов магнита и соединяющих один магнитный полюс с другим. Силовые линии магнитного бруска, например, похожи на пончик. С помощью линий магнитного поля удобно показывать силу магнита: там, где линии сходятся (как у полюсов магнитного бруска), магнитное поле сильнее; там, где они проходят на расстоянии друг от друга, поле слабее. Если вы поместите небольшой магнитный брусок в магнитное поле более крупного магнита, магнит меньших размеров сориентируется по направлению линий поля более крупного. Именно поэтому стрелка компаса указывает на север; стрелка — это магнит, и она ориентируется вдоль линий магнитного поля Земли.
Если магнит имеет более сложную форму, ситуация усложняется. Если магнитный брусок изогнуть, силовые линии поля также изогнутся. Если взять дюжину, сотню магнитов и смешать их в кучу, силовые линии поля могут сильно искривиться, потому что каждый фрагмент магнитного поля привязан к создающему его объекту. Сдвиньте один, и вы повлияете на другой.
Магнитное поле Солнца создают движущиеся потоки газа — течения, которые перекручиваются, искривляются и извиваются, как реки на Земле. Силовые линии поля возникают под поверхностью Солнца, но там не остаются; их петли прорываются сквозь поверхность Солнца наружу и ныряют обратно невероятно хитросплетенным и взаимосвязанным образом. Эти магнитные силовые линии могут сильно переплетаться и спутываться. Когда такое случается, на поверхности Солнца происходят кардинальные изменения.
Прежде всего, так как линии поля и газ взаимосвязаны, когда линии спутываются и уплотняются, движение газа затрудняется. Это как если бы на него набросили гигантскую сеть, не дающую ему двигаться свободно. Более горячий газ, поднимающийся из глубин, не может достичь поверхности, и области, в которых линии особенно плотные, начинают остывать. Поскольку яркость Солнца зависит от его температуры, более холодный участок становится тусклее, образуя темную область на Солнце, которая называется солнечным пятном. Так как по своей сути солнечные пятна — явление магнитное (на самом деле это поперечное сечение линий магнитного поля в том месте, где они пересекают поверхность Солнца), они всегда появляются парами с разной полярностью: одно как северный полюс магнита, а второе — южный полюс.
Солнечные пятна могут быть маленькими, еле заметными в телескопы на Земле, а могут быть гигантскими, гораздо больше размеров Земли, при этом некоторые из них настолько большие, что их можно видеть невооруженным глазом, когда Солнце находится у горизонта[9].
Собственно, именно наблюдения за солнечными пятнами дали астрономам первый ключ к пониманию магнитного поля Солнца. Генрих Швабе наблюдал за Солнцем в начале XIX в., десятилетиями, день за днем подсчитывая количество солнечных пятен. Он обнаружил, что оно увеличивается и уменьшается с периодичностью примерно 11 лет — сегодня мы называем этот период циклом солнечной активности. На максимуме на Солнце может быть свыше сотни пятен, но на минимуме это число уменьшается практически до нуля.
В 1859 г. Швабе решил опубликовать свои результаты, и очень скоро выяснилось, что периоды пикового количества солнечных пятен совпадали с периодами пиковой геомагнитной активности на Земле, указывая на связь между солнечными пятнами и магнетизмом. В 1908 г. астроном Джордж Эллери Хейл выяснил, что магнитные поля на солнечных пятнах могут быть в тысячи раз сильнее земного, что свидетельствовало о значительных запасах энергии в тех областях.
И мы возвращаемся к равновесию. Когда магнитные силовые линии спутываются, между давлением, нарастающим за счет накопленной в них магнитной энергии, и напряжением, существующим в силовых линиях, устанавливается равновесие. Магнитные силовые линии можно представить в виде витых стальных пружин, сваленных в кучу и спутанных между собой. Пружины сжаты и стремятся распрямиться, но не могут этого сделать, потому что переплетены друг с другом. Теперь продолжим сжимать их и добавлять новые и новые пружины. При этом накапливается очень впечатляющая энергия.
Что произойдет, если взять болторез и перекусить одну из пружин?
Правильно. Лучше отойти в сторону.
То же самое происходит и в солнечном пятне — на самом деле физические процессы тут практически такие же, как и в клубке витых пружин, с аналогичными напряжением и давлением. По мере того как силовые линии все больше переплетаются и к ним добавляются новые, давление нарастает. Иногда давление сбрасывается в начале этого процесса, и тогда практически ничего не происходит. Но в других случаях оно накапливается и накапливается…
Сейчас что-то не выдержит.
В конце концов что-то действительно не выдерживает. Силовые линии вырываются из Солнца высокими, грациозными петлями,