Магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами. В обычном магнитном бруске двигаются электроны внутри атомов, а сами атомы тихо-мирно остаются на «своих местах». Главное, что следует понимать при исследовании Солнца – оно состоит не из обычного газа; в его состав входит электрически заряженный газ – плазма из ядер и электронов. В отличие от атомов в магнитном бруске, заряды в солнечной плазме, которые создают магнитные поля, свободны в своих движениях. Эти движения изменяют магнитное поле, которое, в свою очередь, влияет на движение зарядов, а оно снова изменяет магнитное поле, и так далее… Именно это сложное взаимодействие между горячей плазмой и магнитным полем лежит в основе всех бесчисленных солнечно-магнитных явлений, от вихрей в солнечных пятнах до взрывных процессов в солнечных вспышках.
На самом деле нужно отметить еще один важный момент. Солнце не является твердым телом. Его наружные и внутренние слои вращаются с разными скоростями, и даже наружные слои вращаются по-разному на разных широтах. Следовательно, магнитные поля на Солнце постоянно закручиваются и искривляются, накапливая энергию, как скрученные эластичные ленты.
В некотором смысле Земля вращается в атмосфере Солнца. Магнитное поле Земли защищает ее от худших выходок со стороны нашей ближайшей звезды.
В тех местах на Солнце, где петли магнитного поля прорываются сквозь поверхность, мы видим солнечные пятна – почти всегда па́рами, поскольку петля выходит из Солнца в одном месте и заходит в другом. Там, где магнитные поля от разных потоков становятся чересчур скрученными и запутанными, переплетаясь друг с другом сложным образом, высвобождается огромное количество энергии, которая выталкивает сверхгорячую плазму с поверхности Солнца, и она устремляется вверх на десятки тысяч километров – возникает солнечная вспышка. От Солнца устремляется к планетам солнечный ветер, – вернее, даже настоящий ураган, – который дует со скоростью, превышающей миллион километров в час, распространяя магнитное поле по всей Солнечной системе. По правде говоря, Земля вращается в атмосфере Солнца. Фактически эта атмосфера заканчивается только за самой удаленной планетой Солнечной системы, где солнечный ветер врезается в межзвездную среду, подобно тому, как снегоочиститель вгрызается в снежный сугроб. Приблизившись к пределам Солнечной системы 25 августа 2012 года, космический зонд «Вояджер-1», запущенный NASA в 1977 году, обнаружил значительное увеличение космических лучей – частиц высоких энергий, образующихся в далеком космосе. Этот космический аппарат стал первым транспортным средством, сооруженным руками человека, которое действительно покинуло атмосферу Солнца и вышло в межзвездное пространство.
Изучение Солнца выходит за пределы чисто академического интереса. От того, насколько точно мы сумеем предсказывать космическую погоду, создаваемую нашей ближайшей звездой, зависит порой само наше существование. Исследования других звезд, похожих на наше Солнце, показали, что на них иногда происходят сверхмощные вспышки – хотя и достаточно редко. Но если такая вспышка произойдет, она будет способна поджарить все живое на планете. Серьезную озабоченность вызывают порой выбросы корональной массы (ВКМ), которые точнее следовало бы назвать корональными магнитными извержениями. Впервые корональные выбросы были зарегистрированы в 70-х годах XX века. Они характерны тем, что вместе с огромным количеством солнечной плазмы в пространство «выстреливаются» и магнитные поля. Чтобы понять, о каких скоростях и массах идет речь, представьте, что количество вещества размером с гору Эверест вылетело в космос со скоростью, в 500 раз превышающей скорость пассажирского авиалайнера. Событие Каррингтона классифицируется сейчас именно как корональный выброс – это было самое мощное явление на Солнце на памяти человека.
В 1859 году мир еще не зависел от электротехники, поэтому корональный выброс на Солнце не причинил существенного вреда человеческой цивилизации. Сегодня сложилась бы совсем иная ситуация. Изменения магнитного поля, которые возникнут в электрических сетях от подобного коронального выброса, могут индуцировать токи такой силы, что от них расплавится оборудование. Именно такая индукция послужила причиной поражения электрическим током телеграфистов в 1859 году; из-за нее же произошло отключение электроэнергии в Квебеке 13 марта 1989 года, которое погрузило в темноту 6 миллионов человек[61]. Но самую реальную угрозу выбросы и вспышки представляют сегодня для плотного кольца спутников, опоясывающего нашу планету, – спутников, от которых во многом зависит наша нынешняя жизнь. Спутники связи, метеорологические спутники, спутники глобальной системы определения местоположения (GPS), которые не только позволяют нам узнавать наше местоположение, но и играют решающую роль в глобальных финансовых операциях, – все это находится под угрозой. В развитых странах предпринимаются усилия по укреплению инфраструктуры, чтобы она могла противостоять угрозе со стороны возможных ВКМ. Однако нам нужно все время помнить о том, что Солнце, которое даровало нам жизнь, может в мгновение ока вернуть нас в доэлектрическую эру.
17. Свет прежних временСолнечный свет, который мы видим сейчас, родился 30 000 лет тому назад
Добрая память приносит свет былых времен.
Желто-оранжевый шар на темно-синем фоне. Это одно из самых удивительных изображений, полученных учеными за всю историю существования науки. Во время публичных слушаний я часто демонстрирую его на большом экране и спрашиваю: как вы думаете, что это такое? Получаю ответы самые разнообразные. Некоторые думают, что это взрывающаяся звезда, другие – изображение атома, а третьи вообще считают, что это шар расплавленного металла. Обычно никто не знает правильного ответа, и тогда я заявляю со всем драматическим эффектом, на который способен:
– Это изображение Солнца, полученное… в ночное время. Неизменно находится скептик, который сразу же подвергает сомнению мое утверждение.
– Минуточку, – говорит он, – но ведь Солнце ночью находится за горизонтом?
– Совершенно верно. Чтобы получить это изображение, пришлось наблюдать Солнце, не задрав голову к небу, а устремив свой взгляд вниз, через толщу всех земных пород – а это почти 13 000 километров. То есть Солнце тогда находилось с другой стороны земного шара. Это нейтринный снимок Солнца.
Нейтрино – это призрачные элементарные частицы, образующиеся в огромных количествах в результате ядерных реакций, происходящих в самом центре Солнца. Поднимите вверх большой палец. Ноготь этого пальца каждую секунду пронзают примерно 100 миллиардов нейтрино. Вы их никогда не замечаете, потому что их главная особенность – прятаться от всех и вся. Они практически никогда не взаимодействуют с атомами обычного вещества. Единственный способ их регистрации – построить детектор, содержащий большое количество атомов, тем самым увеличивая вероятность того, что хотя бы один из этих атомов остановит нейтрино.
Изображение Солнца, сделанное сквозь земной шар, было сделано нейтринным детектором «Супер-Камиоканде», размещенным в шахте на большой глубине под горным хребтом, который называется Японские Альпы. Представьте себе консервную банку запеченной фасоли, выросшую до размеров десятиэтажного дома, заполненную 50 000 тонн воды. Иногда – правда, очень редко – солнечное нейтрино, проходящее через детектор, взаимодействует с ядром водорода, или протоном, в молекуле воды. В результате этого взаимодействия ядро атома взрывается, создавая в воде вспышку света – аналог сверхзвуковой ударной волны. Скорее всего, вам приходилось видеть картину такого «черенковского излучения». Оно похоже на голубое свечение, которое исходит от радиоактивных отходов, хранящихся в резервуарах на площадках ядерных реакторов.
Внутренняя поверхность детектора «Супер-Камиоканде» выстлана специальными устройствами, немного похожими на электрические лампочки, каждая – 50 см в диаметре. Это так называемые фотоэлектронные умножители в количестве 11 146 штук, которые генерируют электрические импульсы при попадании на них квантов света. Проследив очередность их срабатывания, физики могут вычислить путь нейтрино, создающего «черенковское излучение».
В данном случае детали строения детектора не столь важны. Самое главное заключается в том, что нейтрино очень редко взаимодействуют с веществом и почти беспрепятственно вылетают из центра Солнца. Двигаясь по прямой, они пролетают все Солнце насквозь всего лишь за две секунды. Очутившись на его поверхности, нейтрино устремляются прочь от него и через восемь с половиной минут оказываются у поверхности Земли.
А сейчас еще раз поднимите палец кверху. Нейтрино, проходящие через него, восемь с половиной минут назад находились в самом центре Солнца.
В то время как нейтрино проходят от центра Солнца до его поверхности всего за две секунды, фотонам (свету) требуется для этого путешествия около 30 000 лет.
Теперь сравните нейтрино со светом, который также создается ядерными реакциями в центре Солнца. Свет – потоки бесчисленных частиц, которые пулями носятся туда-сюда – испытывает значительные трудности с выходом на поверхность Солнца. Фотоны похожи на бестолковых покупателей, которые перед Рождеством прокладывают себе путь по улицам, забитым пробками и людьми. Они не могут лететь по прямой, а вынуждены двигаться зигзагообразно. Пройдя небольшое расстояние внутри Солнца – максимум один сантиметр – они отклоняются от первоначального направления и начинают перемещаться совсем в другую сторону. Их путь из недр Солнца настолько извилист, что занимает не две секунды, как у нейтрино, а около 30 000 лет. А потом им требуется такое же время, как и нейтрино, – восемь с половиной минут – чтобы долететь до Земли.
Теперь вы понимаете, что сегодняшнему солнечному свету исполнилось около 30 000 лет. Он был создан в разгар последнего ледникового периода