Магнитные поля во вселенной: Магнитные поля расскажут о Вселенной

Магнитные поля расскажут о Вселенной

Известно, что магнитные поля присутствуют практически во всех типах космических структур во Вселенной — от небольших планет до галактик и крупнейших скоплений галактик. Есть основания полагать, что и на самых больших, космологических масштабах Вселенная пронизана магнитными полями, пусть и меньшей величины. Определение характеристик таких космологических полей имеет важное значение для космологии и физики космических частиц. Основной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция — именно она определяет силу поля, действующую на движущиеся заряды.

Российские ученые из Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга и Института ядерных исследований Российской академии наук вместе с зарубежными коллегами

получили самую точную на сегодняшний день оценку максимальной величины космологических магнитных полей.

Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Physical Review Letters и попали в рубрику Editor’s Suggestion — «Выбор редакции». Работу удалось осуществить благодаря финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ). Авторы статьи использовали большой обзор далеких радиоисточников. Данные обзора позволили поставить сильные верхние ограничения на индукцию космологических полей. 

Максим Пширков с коллегами применили метод изучения космологических магнитных полей с помощью явления фарадеевского вращения плоскости поляризации радиоизлучения: при распространении поляризованного излучения от далекого источника его плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол, величина которого зависит от величины космических магнитных полей. Таким образом, изучая величины поворотов, можно оценивать эти магнитные поля.

Максим Пширков и соавторы использовали уже имевшиеся результаты измерений для примерно 3 тыс. радиоисточников, распределенных по большей части небесной сферы. При анализе данных был учтен локальный вклад в эффект Фарадея, возникающий внутри Млечного Пути.

Сравнивая данные наблюдений с предсказаниями модели с дополнительным вкладом от космологических полей, исследователи смогли получить строгие ограничения сверху на величину этих полей — около 1 нГс.

«До последнего времени было известно очень мало о космологических полях, — говорит Максим Пширков. — Около шести лет назад наблюдения спутника «Ферми» дали косвенные указания на существование очень слабых внегалактических магнитных полей (10–17 Гс), то есть была сделана оценка снизу для силы этих полей. Для сравнения, на поверхности Земли сила поля составляет примерно 0,5 Гс.

Оценку сверху на максимальную силу космологических полей делали и ранее, но полученные тогда ограничения были в пять раз больше, чем полученные нами сейчас.

Совсем недавно с использованием данных со спутника Planck была дана оценка максимальной величины космологических полей, которую теперь нам удалось улучшить в два раза. Однако Planck изучал реликтовое излучение, то есть полученные им данные могут ограничить только магнитные поля, существовавшие на ранних стадиях эволюции Вселенной».

Среди ученых пока нет единого мнения о природе космологического магнитного поля. Существует две гипотезы. В соответствие с первой, это поле первично, оно образовалось на ранних стадиях эволюции Вселенной. По другой гипотезе, это поле образовалось позже, в первый миллиард лет существования галактик. В этих ранних галактиках образовывалось магнитное поле, которое затем было вынесено из них и «загрязнило» окружающую межгалактическую среду.

Полученные учеными данные важны для изучения космических лучей сверхвысоких энергий — они помогут решить задачу отождествления источников космических лучей, которая остается нерешенной уже более полувека.

«Если бы космологическое магнитное поле оказалось больше, скажем, 3 нГс, то космические лучи от далеких источников испытывали бы сильное отклонение, и мы не смогли бы отождествить их с источниками, — объясняет Максим Пширков. — Полученное нами ограничение сверху означает, что лучи в межгалактическом пространстве отклоняются не очень значительно.

Также возможно, что полученные нами ограничения помогут ученым-теоретикам в выборе правильной модели эволюции ранней Вселенной».

Работа ученых была выполнена в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ) «За пределами возможностей земных ускорителей: происхождение космических лучей, нейтрино и фотонов с энергиями (1015–1020) эВ» под руководством Сергея Троицкого из Института ядерных исследований Российской академии наук. Этот грант нацелен на исследования в области астрофизики частиц — новой области науки, в которой астрономические исследования используются для целей фундаментальной физики, многие из которых просто не могут быть проверены экспериментально в земных лабораториях. Для примера, энергии космолучей доходят до 1020 эВ, что в 10 млн раз больше энергий частиц на Большом адронном коллайдере.

Tags

СМИ о Фонде, Физика и космос

ученые раскрыли, как магнитное поле могло появиться «из ничего»

Анастасия
Никифорова

Новостной редактор

Естественное происхождение магнитных полей во Вселенной долгие годы оставалось загадкой. В ходе недавнего исследования ученые разгадали часть этой головоломки. «Хайтек» рассказывает главное.

Читайте «Хайтек» в

Все астрофизические объекты, которые наблюдают люди, окружены магнитными полями.  И не только в окрестностях звезд и планет, но и в глубоком космосе между галактиками и скоплениями. Да, эти поля очень слабые — обычно намного слабее, чем у магнита холодильника. Однако их динамическое значение оказывает глубокое влияние на жизнь Вселенной. Несмотря на десятилетия исследований, происхождение этих космических магнитных полей остается одной из самых глубоких загадок в космологии.

Магнитные поля повсюду

Естественные магнитные поля наблюдаются повсюду во Вселенной. Впервые их обнаружили на Земле тысячи лет назад благодаря их взаимодействию с намагниченными минералами. Они использовались для навигации задолго до того, как люди поняли их природу или происхождение. Магнетизм на Солнце открыли в начале ХХ века благодаря его влиянию на спектр света, излучаемого звездой. С тех пор, используя более мощные телескопы, наблюдавшие глубокий космос, ученые обнаружили, что эти поля повсюду.

И, хотя ученые уже давно научились изготавливать и использовать постоянные магниты и электромагниты, естественное происхождение этих полей во Вселенной оставалось загадкой. В ходе недавнего исследования ученые разгадали часть этой головоломки, однако многие аспекты этого вопроса все еще обсуждаются.

В предыдущих исследованиях ученые поняли, как турбулентность может усиливать ранее существовавшие магнитные поля посредством так называемого динамо-процесса. Но это открытие лишь вызвало больше вопросов. Если турбулентное динамо могло только усиливать существующее, то откуда взялось первичное, «зародышевое» магнитное поле?

В рамках новой работы ученые показали основные процессы, которые генерируют поле от полностью ненамагниченного состояния до точки, где оно достаточно сильное, чтобы механизм динамо усилил его до величин, которые можно наблюдать.

Эффект динамо и Вселенная без проводов

Ученые рассматривали способ создания электрических и магнитных полей в лаборатории. Когда проводники, такие как медная проволока, движутся в них, появляются электрические поля. Затем они могут управлять электрическими токами. Так вырабатывается электричество, которое люди используют каждый день. Благодаря этому процессу индукции большие генераторы или динамо-машины преобразуют механическую энергию в электромагнитную, питающую наши дома и офисы. Ключевой особенностью динамо-машин является то, что для их работы необходимы магнитные поля.

Но во Вселенной нет никаких проводов или больших стальных конструкций, так как же возникают поля? Прогресс в решении этой проблемы начался около века назад, когда ученые задумались над источником магнитного поля Земли. К тому времени исследования распространения сейсмических волн показали, что большая часть планет под более холодными поверхностными слоями мантии была жидкой. Также ученые поняли, что в Земле существовало ядро, состоящее из расплавленного никеля и железа. Исследователи предположили, что конвективное движение этой горячей электропроводящей жидкости и вращение планеты каким-то образом объединяются для создания земного поля.

В конце концов появились модели, которые показали, как конвективное движение может усиливать существующее поле. Это пример самоорганизации — свойства, часто наблюдаемого в сложных динамических системах, — где крупномасштабные структуры спонтанно вырастают из мелкомасштабной динамики. Но, как и на электростанции, вам нужно магнитное поле, чтобы создать магнитное поле.

Подобный процесс происходит во всей Вселенной. Однако в звездах и галактиках, а также в пространстве между ними, электропроводящей жидкостью является не расплавленный металл, а плазма. Это состояние вещества возникает, когда электроны отрываются от их атомов. На Земле плазму можно увидеть в виде молнии. В такой среде динамо-эффект может усиливать существующее магнитное поле, если оно начинается на каком-то минимальном уровне.

Моделирование первичных магнитных полей

Откуда взялось это первичное или минимальное магнитное поле? Чтобы это выяснить, ученые провели исследование, результаты которого публикует PNAS. Автор исследования, аспирант Массачусетского технологического института (МIT) Муни Чжоу разработала основную теорию и провела численное моделирование на мощных суперкомпьютерах, чтобы понять, какие фундаментальные процессы отвечают за появление минимального поля.  

Визуализация нитевидных первичных магнитных полей, возникающих в результате крупномасштабных движений ненамагниченной плазмы. 
Предоставлено: Муни Чжоу и др.

Одно из важных свойств плазмы, которая существует между звездами и галактиками, — она сильно рассеяна, около одной частицы на кубический метр. При этом внутри звезд плотность частиц примерно на 30 порядков выше. Низкая плотность указывает на то, что частицы в космологической плазме никогда не сталкиваются, что оказывает важное влияние на их поведение.

Ученые отследили динамику в плазме, которая развивалась из хорошо упорядоченных волн, но становилась турбулентной по мере роста амплитуды, и взаимодействия становились сильно нелинейными. Включив детальное влияние динамики плазмы в малых масштабах на макроскопические астрофизические процессы, они продемонстрировали, что первичные магнитные поля могут спонтанно создаваться из-за общих крупномасштабных движений, таких простых, как сдвиговые потоки. Как и на Земле, механическая энергия преобразовывалась в магнитную.

Важным результатом их вычислений была амплитуда ожидаемого спонтанно генерируемого магнитного поля. Оказалось, она может вырастать с нуля до уровня, при котором плазма становится «намагниченной», то есть когда присутствие поля сильно влияет на ее динамику. В этот момент традиционный динамо-механизм может поднять поля до наблюдаемых уровней. Таким образом, новая работа представляет собой самосогласованную модель генерации магнитных полей в космологическом масштабе и объясняет, как они могли появиться «из ничего».

Что в итоге?

Профессор Эллен Цвейбель из Висконсинского университета в Мэдисоне, соавтор исследования, отмечает: «Несмотря на десятилетия прогресса в космологии, происхождение магнитных полей во Вселенной остается неизвестным. Приятно видеть современную теорию физики плазмы и численное моделирование, которое направлено на решение этой фундаментальной проблемы».

Чжоу и ее коллеги продолжат совершенствовать модель и изучать переход от генерации исходного поля к фазе усиления динамо-машины.  Также ученые хотят выяснить, может ли этот процесс работать в масштабе времени, согласующемся с астрономическими наблюдениями. Цитируя исследователей, «эта работа представляет собой первый шаг в построении новой парадигмы для понимания магнитогенеза во Вселенной».

Читать далее

Гравитации и темной материи не существует: главное о новой работе физиков

Во Вселенной происходит что-то странное: как объяснить нестыковки в постоянной Хаббла

Почему Болонскую систему образования хотят отменять в России на самом деле

Откуда у Вселенной появилось магнитное поле | MIT News

Когда мы смотрим в космос, все астрофизические объекты, которые мы видим, окружены магнитными полями. Это верно не только в окрестностях звезд и планет, но и в глубоком космосе между галактиками и галактическими скоплениями. Эти поля слабы — обычно намного слабее, чем у магнита холодильника, — но они имеют динамическое значение в том смысле, что оказывают глубокое влияние на динамику Вселенной. Несмотря на десятилетия интенсивного интереса и исследований, происхождение этих космических магнитных полей остается одной из самых глубоких загадок в космологии.

В ходе предыдущих исследований ученые пришли к пониманию того, как турбулентность, вихревое движение, характерное для жидкостей всех типов, может усиливать ранее существовавшие магнитные поля посредством так называемого динамо-процесса. Но это замечательное открытие только углубило тайну еще на один шаг. Если турбулентное динамо могло только усиливать существующее поле, то откуда взялось «зародышевое» магнитное поле?

У нас не будет полного и непротиворечивого ответа на вопрос о происхождении астрофизических магнитных полей, пока мы не поймем, как возникают затравочные поля. Новая работа, проведенная аспирантом Массачусетского технологического института Муни Чжоу, ее советником Нуно Лоурейро, профессором ядерной науки и техники в Массачусетском технологическом институте, и коллегами из Принстонского университета и Университета Колорадо в Боулдере, дает ответ, который показывает основные процессы, которые генерируют поле. от полностью ненамагниченного состояния до точки, где оно достаточно сильное, чтобы динамо-механизм взял на себя управление и усилил поле до величин, которые мы наблюдаем.

Магнитные поля повсюду

Естественные магнитные поля наблюдаются повсюду во Вселенной. Впервые они были обнаружены на Земле тысячи лет назад благодаря их взаимодействию с намагниченными минералами, такими как магнитный камень, и использовались для навигации задолго до того, как люди поняли их природу или происхождение. Магнетизм Солнца был открыт в начале 20 века благодаря его влиянию на спектр света, излучаемого Солнцем. С тех пор более мощные телескопы, смотревшие вглубь космоса, обнаружили, что поля были вездесущи.

И хотя ученые уже давно научились изготавливать и использовать постоянные магниты и электромагниты, которые имели множество практических применений, естественное происхождение магнитных полей во Вселенной оставалось загадкой. Недавняя работа дала часть ответа, но многие аспекты этого вопроса все еще обсуждаются.

Усиление магнитных полей — динамо-эффект

Ученые начали задумываться над этой проблемой, рассматривая способ создания электрических и магнитных полей в лаборатории. Когда проводники, такие как медная проволока, движутся в магнитных полях, создаются электрические поля. Эти поля или напряжения могут затем управлять электрическими токами. Так вырабатывается электричество, которое мы используем каждый день. Благодаря этому процессу индукции большие генераторы или «динамо-машины» преобразуют механическую энергию в электромагнитную энергию, питающую наши дома и офисы. Ключевой особенностью динамо-машин является то, что для работы им необходимы магнитные поля.

Но во Вселенной нет очевидных проводов или больших стальных конструкций, так как же возникают поля? Прогресс в решении этой проблемы начался около века назад, когда ученые задумались над источником магнитного поля Земли. К тому времени исследования распространения сейсмических волн показали, что большая часть Земли под более холодными поверхностными слоями мантии была жидкой и что существовало ядро, состоящее из расплавленного никеля и железа. Исследователи предположили, что конвективное движение этой горячей электропроводящей жидкости и вращение Земли каким-то образом объединяются для создания земного поля.

В конце концов появились модели, показывающие, как конвективное движение может усиливать существующее поле. Это пример «самоорганизации» — свойства, часто наблюдаемого в сложных динамических системах, — где крупномасштабные структуры спонтанно вырастают из мелкомасштабной динамики. Но, как и на электростанции, вам нужно было магнитное поле, чтобы создать магнитное поле.

Подобный процесс происходит во всей вселенной. Однако в звездах и галактиках и в пространстве между ними электропроводящей жидкостью является не расплавленный металл, а плазма — состояние вещества, существующее при чрезвычайно высоких температурах, когда электроны отрываются от их атомов. На Земле плазму можно увидеть в молнии или неоновом свете. В такой среде динамо-эффект может усиливать существующее магнитное поле, если оно начинается на каком-то минимальном уровне.

Создание первых магнитных полей

Откуда взялось это семенное поле? Вот тут-то и появляется недавняя работа Чжоу и ее коллег, опубликованная 5 мая в PNAS, . Чжоу разработала основную теорию и провела численное моделирование на мощных суперкомпьютерах, которые показывают, как может быть создано затравочное поле и какие фундаментальные процессы здесь работают. . Важным аспектом плазмы, существующей между звездами и галактиками, является то, что она необычайно рассеяна — обычно около одной частицы на кубический метр. Это совсем другая ситуация, чем внутри звезд, где плотность частиц примерно на 30 порядков выше. Низкие плотности означают, что частицы в космологической плазме никогда не сталкиваются, что оказывает важное влияние на их поведение, которое необходимо было включить в модель, которую разрабатывали эти исследователи.

Расчеты, выполненные исследователями Массачусетского технологического института, следовали за динамикой в ​​этой плазме, которая развивалась из хорошо упорядоченных волн, но становилась турбулентной по мере роста амплитуды, и взаимодействия становились сильно нелинейными. Включив детальное влияние динамики плазмы в малых масштабах на макроскопические астрофизические процессы, они продемонстрировали, что первые магнитные поля могут спонтанно создаваться посредством общих крупномасштабных движений, таких простых, как сдвиговые потоки. Как и в земных примерах, механическая энергия преобразовывалась в магнитную энергию.

Важным результатом их вычислений была амплитуда ожидаемого спонтанно генерируемого магнитного поля. Это показало, что амплитуда поля может возрастать от нуля до уровня, при котором плазма «намагничена», то есть когда присутствие поля сильно влияет на динамику плазмы. В этот момент традиционный динамо-механизм может вступить во владение и поднять поля до наблюдаемых уровней. Таким образом, их работа представляет собой самосогласованную модель генерации магнитных полей в космологическом масштабе.

Профессор Эллен Цвайбель из Университета Висконсина в Мэдисоне отмечает, что «несмотря на десятилетия замечательного прогресса в космологии, происхождение магнитных полей во Вселенной остается неизвестным. Замечательно видеть, что современная теория физики плазмы и численное моделирование используются для решения этой фундаментальной проблемы».

Чжоу и его коллеги будут продолжать совершенствовать свою модель и изучать переход от генерации исходного поля к фазе усиления динамо-машины. Важной частью их будущих исследований будет определение того, может ли этот процесс работать в масштабе времени, согласующемся с астрономическими наблюдениями. Цитируя исследователей: «Эта работа представляет собой первый шаг в построении новой парадигмы для понимания магнитогенеза во Вселенной».

Эта работа финансировалась премией Национального научного фонда CAREER Award и грантом Future Investigators of Earth and Space Science Technology (FINESST).

Сильнейшие магнитные поля во Вселенной: насколько сильными они могут стать?

1. Введение

Крупномасштабная динамика Вселенной определяется общим космическим расширением и гравитационным полем массивных объектов. Считается, что в первом магнитные поля не играют существенной роли [1, 2]. Считается, что магнитные поля не присутствовали или, по крайней мере, не имели заметной силы при Большом взрыве и в последующий инфляционный период. Если они и присутствовали, то в виде ложных магнитных монополей. Они становятся важными в меньших масштабах. В масштабах компактных намагниченных объектов они начинают становиться непренебрежимо малыми, а для ряда процессов [3] даже становятся доминирующей силой.

Магнитные поля связаны с протеканием электрического тока и, таким образом, в отличие от электрических полей, источниками которых являются элементарные заряды и разности зарядов, генерируются процессами, вызывающими электрические токи. Токи предполагают неамбиполярный перенос зарядов. Таким образом, вопрос о том, насколько сильными могут быть магнитные поля, сводится к вопросу о том, насколько сильными могут стать любые токи. В классической электродинамике из закона Ампера для стационарных магнитных полей следует, что

∇×B=µ0J,    J=e(NiVi−NeVe)≈−eN(Ve−Vi)(1)

, если ограничиться только переносом заряда и принять немагнитные среды (для простоты однозарядные) ионов и электронов плотности и объемные скорости N _i,e , V _i,e соответственно. В противном случае можно было бы добавить член намагниченности M , который зависит от свойств материи. Определение M требует квантово-механической обработки в рамках физики твердого тела.

Предполагая без ограничений квазинейтральность N _e ≈ N _i = N , вклад вносят только разности скоростей. Поскольку электроны значительно более подвижны, чем ионы, ток можно разумно аппроксимировать электронным током Дж ≈ — eN В _e , условие строго выполняется в ионной системе отсчета. Поскольку скорости ограничены скоростью света c , магнитное поле классически ограничено величиной

∇×B<μ0eNc,    или    B<μ0eNcL≈6×10−8NccLkm(2)

, что позволяет предположить, что магнитное поле растет с плотностью 6009 л Здесь N _{куб. см} выражено в единицах электронов на см ^-3 , а L _км — масштаб длины поперек нити тока в единицах км. В коре нейтронной звезды, например, мы имеем L _км ~ 1. Если бы примерно все электроны в коре участвовали в протекании тока, мы имели бы N _куб.см × ~ 10 ³⁰ . Следовательно, напряженность магнитного поля может достигать B ~ 10 ²⁸ Гаусс, огромное число по сравнению с максимальным значением B ~ 10 ¹⁵ − 10 ¹⁶ Гаусс, наблюдаемым в магнетарах.

Эту грубую оценку необходимо прокомментировать во избежание недоразумений. Считается, что магнитные поля генерируются преимущественно действием динамо-машины. Такие действия предположительно не действуют в белых карликах, нейтронных звездах, магнетарах или любых других компактных объектах. Поля производятся в их дифференциально вращающихся прародителях. Возьмем в качестве примера Солнце с динамо-действием в зоне конвекции толщиной L ^☉ ~ 2 × 10 ⁵ км и средней плотностью N ^☉ _{куб. см} ~ 8 × 10 ^{08 90. Использование общей ширины зоны конвекции сильно завышает текущую ширину нити. Абсолютный верхний предел составит л ☉ _км ≲ 2 × 10 4 . Очевидно, что скорости также намного меньше, чем c . Таким образом, использование c дает крайний абсолютный верхний предел магнитного поля B < 10 21 T. Сравнительно сильные поля в нейтронных звездах возникают впоследствии при быстром коллапсе намагниченной тяжелой звезды-прародительницы, не успевшей за время коллапса рассеять магнитную энергию, которая сжимается в крошечные объем нейтронной звезды. Коэффициент сжатия порядка ~ 10 12 , что дает предельные поля B ≲ 10 35 Гаусса. Классическая электродинамическая оценка явно не дает верхнего предела напряженности магнитного поля, который соответствовал бы данным наблюдений.}

Другие не менее серьезные расхождения получаются, если положить энергию магнитного поля нейтронной звезды равной полной доступной энергии вращения как в прародителе, так и в нейтронной звезде, предполагая равное распределение вращательной и магнитной энергии — явно мало обоснованное предположение в обоих случаях. Магнитная энергия не может стать больше, чем первоначально доступная динамическая энергия ее причины, частью которой она является. По-видимому, принципиально сомнительно, чтобы магнитные поля когда-либо создавались каким-либо классическим механизмом, значительно более сильным, чем наблюдаемые в нейтронных звездах (за исключением короткой фазы динамо-усиления после коллапса продолжительностью ~ 10 с, в лучшем случае дающей еще один множитель ~ 10–10). 100 [8]) и, за счет дальнейшей концентрации магнитной энергии в меньших объемах, группирования магнитных силовых трубок, как считается, происходит в магнетарах. Если вообще генерировались гораздо более сильные поля, то это должно было происходить во времена и в объектах, где магнитные поля могли создаваться процессами, отличными от классического динамо. Таким образом, нужно войти в квантовую электродинамику, соответственно квантовую теорию поля, чтобы сделать вывод о принципиальные физические ограничения на генерацию любых магнитных полей. Следующее исследование мотивировано не столько наблюдениями, сколько этим фундаментальным теоретическим вопросом.

2. Элементы потока

Квантовая механика предлагает способ получения первого предела магнитного поля из решения уравнения Шредингера, первоначально найденного Ландау [4] в 1930 году, для электрона, вращающегося по орбите в однородном магнитном поле. Физическая интерпретация этого решения была дана значительно позже в теории Ааронова-Бома [5]. Из требования, чтобы магнитный поток Ф поля B , удерживаемый на орбите вращения электрона, должен быть однозначным, Ааронов и Бом сделали вывод, что Φ = ν Φ ₀ квантуется с элементом потока Φ ₀ = 2πħ/e, e — элементарный заряд, а ν = 1, 2, …. Поскольку ν = Φ/Φ ₀ — число элементарных потоков, переносимых полем, а B = Φ/π l ² , полагая ν = 1, мы определяем наименьшую магнитную длину

ℓB=(Φ0πB )12=(2ℏeB)12(3)

Эту длину, представляющую собой гирорадиус электрона на низшем энергетическом уровне Ландау, можно интерпретировать как радиус силовой линии магнитного поля в магнитном поле Б . Силовые линии становятся уже, чем сильнее магнитное поле. С другой стороны, переписывая уравнение (3), получаем выражение для магнитного поля

Bc=2ℏeℓc2(4)

, из которого для заданной кратчайшей «критической» длины l _B ≡ l _c максимальное магнитное поле B _c , соответствующее l _c , в принципе можно оценить. Ставим, например, л _с = 2πħ/ MC , равное длине электрона Compton λ ₀ = 2πħ/ MC , один получает критический пульсар (нейтронная звезда). 3 × 10 ⁹ T = 3 × 10 ¹³ Гаусс. Представляет значительный интерес тот факт, что примерно такая напряженность поля была действительно получена из наблюдения основной (ν = 1) электронной циклотронной рентгеновской линии, обнаруженной пульсаром HerX1 [7], примерно через два десятилетия после Ааронова и Бома, и через полвека. столетие после теории Ландау.

3. Обобщение

Использование длины волны Комптона связывает предельную напряженность поля в нейтронных звездах с квантовой электродинамикой. Это ставит вопрос о более точном теоретическом определении квантовой электродинамической предельной напряженности поля с учетом релятивистских эффектов. Это также поднимает вопрос, может ли ссылка на другие фундаментальные масштабы длины дать другие принципиальные ограничения на магнитные поля, если только такие поля могут быть созданы каким-либо образом, т. Е. Если электрические токи достаточной силы могут протекать при других условиях, как, например, в квантовой хромодинамике. .

Очень формально, за исключением учета релятивистских эффектов, уравнение (4) дает модельное уравнение для предельного поля в зависимости от любого заданного фундаментального масштаба длины l _c . При этом упрощающем предположении критическое магнитное поле B _c масштабируется просто обратно пропорционально квадрату соответствующей фундаментальной длины. Формально это графически показано на рис. 1 в предположении справедливости скейлинга Ааронова-Бома при более высоких энергиях.

Рис. 1. Логарифмическое масштабирование максимально возможной напряженности магнитного поля, B _c , нормированное к (фиктивному) планковскому магнитному полю, B _Pl , как функция масштабов фундаментальной длины на основе уравнения (3) . Масштабы длины l по оси абсцисс нормированы на планковскую длину l _Pl . Красный пунктирный крест указывает точку пересечения комптоновской длины с линией критического магнитного поля Ааронова-Бома в так называемом квантовом предельном поле B ^q ≈ 10 ⁹ Тл, критическое поле замагниченных нейтронных звезд (пульсаров) согласуется с наблюдением сильнейших циклотронных линий. Горизонтальные линии показывают связь между другими шкалами длины и критическими магнитными полями при допущении справедливости шкалы Ааронова-Бома. Космические магнитные поля соответствуют масштабам ~ 1 мм. Сильнейшие обнаруженные магнитарные поля соответствуют релятивистской поправке первого порядка на самом низком уровне Ландау с энергией E _LLL (показан в виде графика справа с α = α/2π приведенной постоянной тонкой структуры). Включение поправок более высокого порядка позволило бы учитывать поля до B ^qed ~ 10 ²⁸ Тл глубоко в (заштрихованной) релятивистской области, которые не наблюдались. Интересно, что этот предел примерно совпадает с измеренным [6] абсолютным верхним пределом на радиус электрона (вертикальная синяя пунктирная линия). В масштабах ТВО поля теоретически могут достигать значений ~ 10 ⁴⁵ T, согласно простой шкале Ааронова-Бома. Черная пунктирная кривая указывает на возможное отклонение скейлинга Ааронова-Бома вблизи квантового электродинамического предела.

Комптоновский предел магнитных полей был известен из прямых энергетических соображений [ср. например, 8 для обзора], которые предсказывают распад вакуума до образования пар в магнитных полях сильнее, чем B _нс . По этой причине обнаружение магнитных полей, превышающих квантовый предел до трех порядков в магнетарах, было первоначальным сюрпризом. Однако более точные релятивистские электродинамические расчеты, включая графики Фейнмана более высокого порядка, легко показали, что предел Комптона вполне может быть превышен. В первом приближении по аномальному магнитному моменту электронов [9] нижний уровень Ландау смещается согласно

ELLL≈mc2(1−α¯B/Bq)12(5)

с α = α/2π приведенной постоянной тонкой структуры. Эта формула действительна для B < B ^q . Это предполагает уменьшение низшего уровня энергии Ландау для увеличения полей, очевидно, с сильными нефизическими последствиями для астрофизических объектов [10]. Таким образом, необходимо учитывать диаграммы Фейнмана, включающие самопритяжение электронов высших порядков, особенно при больших полях. В полях B ≫ B ^q существенно превышающих B ^q , электроны становятся релятивистски массивными, а нижний уровень Ландау после прохождения минимума возрастает [11, 12] как

ELLL 2 mc + α¯[log2BBq−2,077]2+3,9α¯},    B≫Bq(6)

Отсюда следует, что энергия нижнего уровня Ландау удваивается только при магнитных полях порядка B ~ 10 ²⁸ T (~ 10 ³² Гаусс), намного выше магнитных полей поверхности любой нейтронной звезды или магнетара. Таким образом, релятивистские поправки на собственную энергию, вызывающие затухание магнитного поля, будут действовать только при этих энергиях, которые могут быть окончательным пределом напряженности магнитного поля.

Примечательно, что этот предел примерно совпадает с лучшими последними экспериментальными определениями верхнего предела радиуса электрона [6]. Ниже этой шкалы должны проявляться дополнительные эффекты, в основном препятствующие дальнейшему увеличению напряженности магнитного поля или даже существованию магнитных полей. Таким образом, кажется, что до этого масштаба масштаб Ааронова-Бома, на котором основан рисунок 1, не является полностью необоснованным. Это наиболее интересно еще и с той точки зрения, что шкалы как электрослабого, так и сильного взаимодействия находятся в разрешенной области просто потому, что электроны сохраняют свою природу во всех этих шкалах. Исключается только пустынный диапазон энергий соответственно масштабов. Он включает в себя, в частности, диапазон великого объединения ТВО, а также квантовую гравитацию, области, которые играли роль только в очень ранней Вселенной. Любые рудиментарные магнитные поля того времени были разбавлены инфляцией и космологическим расширением только до низких значений [1, 2], расположенных внизу рисунка 1.

4. Обсуждение и выводы

Если бы во Вселенной не существовало и не сохранилось магнитных монополей, то магнитные поля в любое время должны были создаваться путем генерации электрических токов. Поля, созданные в ранней Вселенной, впоследствии были разбавлены до сегодняшних низких крупномасштабных значений, как обсуждалось в других работах [1, 2]. Они могли быть сильными изначально, и в этом случае их сильные стороны также могут быть ограничены. Однако все разумные силы, оцененные по динамо и другим моделям в классической и хромодинамической теориях [1], скорее всего, не достигают ни одного из указанных квантово-электродинамических пределов. По-видимому, нет необходимости призывать к дополнительным хромодинамическим ограничениям. Это утверждение может быть основано на роли электронов в генерации тока, которая лежит в основе любого крупномасштабного производства магнитного поля. Электроны и их спины также ответственны за магнетизм в твердом веществе. До сих пор считается, что электроны не имеют структуры. Во всяком случае, на масштабах «внутри» электрона, т. е. ниже фиктивного радиуса электрона r _e , токи должны либо потерять всякий смысл, либо вообще не существовать и, следовательно, понятие магнитного поля, вероятно, уже не будет иметь большого смысла. Таким образом, можно полагать, что верхний квантово-электродинамический предел устанавливает абсолютную границу любой реалистичной напряженности магнитного поля.

Применение масштабирования Ааронова-Бома на Рисунке 1 к магнитным полям во Вселенной, по-видимому, дает разумное представление об ожидаемых абсолютных ограничениях напряженности магнитного поля на квантово-электродинамических шкалах. Ясно, что вакуум меняет свой характер на малых масштабах и высоких энергиях, поскольку фотоны становятся тяжелыми, переключаясь на электрослабые бозоны, а в материю вступают в игру кварки. Электроны остаются неизменными, по крайней мере, до r _e ~ 10 ⁻²² м, текущий верхний предел радиуса электрона [6]. Это предлагает записать уравнение критического магнитного поля (4) как

Bc(ℓc)=Bmax/[1+(ℓc/ℓ0−1)2],    Bmax=2ℏ/eℓ02(7)

, где l _c ≥ l ₀ и l ₀ ≳ r _e — соответствующая минимальная длина, выше которой магнитные поля имеют смысл. На рис. 1 это поведение обозначено пунктирной черной кривой, отклоняющейся от диагонали. Однако устойчивость вакуума не столь очевидна, как в квантово-электродинамическом диапазоне при наличии сверхсильных магнитных полей в электрослабом и хромодинамическом диапазонах. Проблема остается в том, что магнитные поля должны генерироваться либо в этих малых масштабах, либо в гораздо больших электродинамических масштабах, от которых они коллапсируют до этих малых масштабов.

Что касается генерации магнитных полей до коллапса с помощью общепринятых эффектов динамо или батареи, напряженность магнитного поля строго ограничена доступной динамической энергией, которая намного ниже любого квантово-электродинамического предела. Можно утверждать, что до тех пор, пока шкала радиуса электрона не достигается во время коллапса, квантовое электродинамическое масштабирование обеспечивает разумное абсолютное ограничение на любую возможную напряженность магнитного поля. Нейтронные звезды и магнетары имеют масштабы, значительно превышающие электронные масштабы. Более тяжелые объекты при уменьшении их масштаба могли бы обладать значительно более сильными полями, но допустимый диапазон сужается из-за того, что такие объекты при коллапсе легко становятся черными дырами, которые, согласно знаменитой теореме об отсутствии волос, не содержат никаких магнитных полей. Неизвестно, что произойдет с полем при пересечении горизонта, поскольку никакая информация о поле не останется для внешнего наблюдателя. Теорема об отсутствии волос предполагает, что поле просто засасывается в дыру и исчезает вместе с коллапсирующей массой. Обычное рассуждение, предполагающее сохранение вмороженного состояния, затем предполагает, что поле внутри горизонта должно еще больше возрасти в предположительно продолжающемся гравитационном коллапсе.

Доступные сильные поля, приближающиеся к квантовым электродинамическим пределам, обнаружены в нейтронных звездах и магнетарах. До сих пор никаких странных магнитных полей звезд не обнаружено. Было даже показано [13], что такие поля, возможно, присутствующие в сверхпроводящих странных звездах, будут вращательно затухать за времена, меньшие ~20 млн лет. В магнетарах присутствие полей сильнее, чем B _ns = B ^q , в настоящее время хорошо изучено [обзор многих аспектов см., 8] как следствие коровых эффектов, вызывающих локальную концентрацию магнитных полей. и протяженные магнитные петли, имеющие некоторое сходство с известными солнечными пятнами [см. также сборник статей в 3]. Воздействие на вещество в сверхсильных полях впервые было исследовано Рудерманом [14] и рассмотрено в [15, 16] и других.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Ссылки

1. Widrow LM, Ryu D, Schleicher DRG, Subramanian K, Tsagas CG, Treumann RA. Первые магнитные поля. Космическая наука, версия . (2012) 116 : 37–70. doi: 10.1007/s11214-011-9833-5

Полный текст CrossRef | Академия Google

2. Ryu D, Schleicher DRG, Treumann RA, Tsagas CG, Widrow LM. Магнитные поля в крупномасштабной структуре Вселенной. Космическая наука, версия . (2012) 166 : 1–35. doi: 10.1007/s11214-011-9839-z

Полный текст CrossRef | Google Scholar

3. Балог А., Бескин В.С., Фаланга М., Лютиков М., Мерегетти С., Пиран Т. Сильнейшие магнитные поля во Вселенной, ISSI Space Science Series . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer (в печати).

4. Ландау Л. Диамагнетизм металла. Z. Physik (1930) 64 : 629–37. doi: 10.1007/BF01397213

Google Scholar

5. Ааронов Ю., Бом Д. Значение электромагнитных потенциалов в квантовой теории. Физическая версия . (1959) 115 : 485–91. doi: 10.1103/PhysRev.115.485

Полный текст CrossRef | Google Scholar

6. Габриэль Г., Ханнеке Д., Киношита Т., Нио М., Одом Б. Новое определение постоянной тонкой структуры электрона г Значение и QED. Phys Rev Lett . (2006) 97 :030802. doi: 10.1103/PhysRevLett.97.030802

Pubmed Abstract | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

7. Трюмпер Дж., Питч В., Реппин С., Сакко Б. Доказательства сильного циклотронного излучения в жестком рентгеновском спектре Her X-1 (Восьмой Техасский симпозиум по релятивистской астрофизике). Ann NY Acad Sci . (1977) 302 : 538–44. doi: 10.1111/j.1749-6632.1977.tb37072.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

8. Дункан Р.С. Физика в сверхсильных магнитных полях. В: Гамма-всплески, 5-й Хантсвиллский симпозиум , Vol. 526, Хантсвилл, Алабама (2000). п. 830–41.

Опубликован Аннотация | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

9. Швингер Дж. Квантово-электродинамика и магнитный момент электрона. Физическая версия . (1948) 73 : 416–7. doi: 10.1103/PhysRev.73.416

Полный текст CrossRef | Академия Google

10. Чиу Х.Л., Кануто В. Проблемы интенсивных магнитных полей при гравитационном коллапсе. Астрофиз J . (1968) 153 : 157–61. doi: 10.1086/180243

Полный текст CrossRef | Google Scholar

11. Янковичи Б. Радиационная поправка к энергии основного состояния электрона в сильном магнитном поле. Физическая версия . (1969) 187 : 2275–6. doi: 10.1103/PhysRev.187.2275

Полный текст CrossRef | Google Scholar

12. Гепрагс Р., Рифферт Х., Герольд Х., Рудер Х., Вуннер Г. Собственная энергия электрона в однородном магнитном поле. Phys Rev D (1994) 49 :5582–9. doi: 10.1103/PhysRevD.49.5582

Pubmed Abstract | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

13. Чау Х.Ф. Об эволюции вращения и магнитного поля сверхпроводящих странных звезд. Астрофиз J . (1997) 479 : 886–901. doi: 10.1086/303898

CrossRef Полный текст | Google Scholar

14. Рудерман М. Вещество в сверхсильных магнитных полях. В: Hansen CJ, редактор. Physics of Dense Matter, Proceedings IAU Symposium , Том. 53. Дордрехт; Бостон (1974). п. 117–31.

Google Scholar

15. Lai D, Salpeter EE, Shapiro SL. Молекулы и цепочки водорода в сверхсильном магнитном поле.