Самое сильное магнитное поле полученное учеными: В японской лаборатории получено рекордно сильное магнитное поле, 19 сентября 2018 – аналитический портал ПОЛИТ.РУ - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Ученые создали самое мощное на Земле магнитное поле

Авторизация Регистрация

Сброс пароля

Подпишитесь на «СР-КУРЬЕР» Быстрая и маленькая, как атом, газета — доставляем свежие новости из «Росатома», России и мира прямиком в ваш почтовый ящик

Больше не показывать

Вы знаете больше и готовы рассказать?

У вас есть интересная история или вы знаете больше о теме, по которой мы уже выпустили материал. Поделитесь с СР любой идеей. Ждем ваших сообщений!

Прикрепить файл

Отправить

Ученые из МИФИ вместе с коллегами из Японии и Франции в лабораторных условиях получили плазму, идентичную плазме из окрестностей черной дыры. А заодно создали самое мощное на Земле магнитное поле. В перспективе такие исследования помогут в создании сверхмощных источников излучения для решения прикладных задач физики, медицины и промышленности.

Увидеть невидимое

Представьте черную дыру: воображение рисует расплывчатое темное пятно со свечением вокруг. Вероятно, картинка навеяна научно-популярными фильмами и богатой (или, наоборот, недостаточно богатой) фантазией писателей-фантастов. Но черные дыры невозможно увидеть: гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть черную дыру не может даже свет. Согласно современным представлениям, черная дыра — сложный объект со множеством вращающихся вокруг него дисков из газа и плазмы, фотонными кольцами. Возможно, вы помните, что в апреле 2019 года интернет облетело фото черной дыры, сделанное телескопом Event Horizon. Это было важное событие в мировой астрофизике. Но на том снимке мы видим аккреционный диск из вещества, затягиваемого в черную дыру, — оно вращается и опоясывает область икс. Аккреционный диск может простираться на триллионы километров. Например, диск сверхмассивной черной дыры M87* растягивается на 0,4 светового года. Из диска почти со скоростью света могут вырываться струи плазмы — джеты. Кстати, тот факт, что джеты образуются именно в аккреционном диске, доказала в 2018 году группа ученых, в числе которых были специалисты из МГУ, ФИАНа и МФТИ.

Еще один успех российских ученых в изучении черных дыр — в августе 2019 года телескоп ART-XC орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» зафиксировал вспышку сверхмассивной черной дыры Стрелец А*. До этого ближайшая к Земле черная дыра более 20 лет не проявляла активности. Недавно американские астрономы при помощи комплекса радиотелескопов ALMA получили изображение аккреционного диска Стрельца А* — они-то и доказали, что диск вращается.

Эксперименты на улитке

Аккреционные диски — источники сильного рентгеновского излучения, которое образуется из-за магнитного поля с индукцией несколько тысяч тесла. Это очень много. Для сравнения: индукция магнитного поля в ИТЭРе — 13 Тл, а в медицинском томографе — 1–3 Тл. Изучение лазерной плазмы с такими параметрами, как в аккреционных дисках, будет полезно как для фундаментальной науки, так и для прикладных областей. Например, можно будет усовершенствовать технику для создания направленных пучков частиц, использующуюся в лечении рака или стерилизации медицинских изделий.

Группа ученых из МИФИ, Университета Осаки и Университета Бордо воссоздали в лаборатории небольшой объем плазмы с характеристиками, идентичными характеристикам плазмы аккреционного диска черной дыры. «В астрофизике часто приходится масштабировать — переносить результаты, полученные в лаборатории, на реальные космические объекты. Такие допущения могут обернуться ошибками, неточностями. Уникальность нашего эксперимента в том, что параметры плазмы масштабировать не нужно. Да, мы получили очень маленькое количество вещества, десятки микронов. Но его характеристики соответствуют характеристикам плазмы в окрестности черной дыры тесных двойных систем типа Лебедь Х-1», — отметил один из участников исследования, доцент Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Филипп Корнеев.

Филипп Корнеев возле мишенной камеры

Метод основан на многократном отражении мощного лазерного луча внутри мишени — тонкой, диаметром несколько сот микронов, медной фольги, скрученной в улитку. Медь часто используют в лазерных экспериментах из-за ее способности производить рентгеновское излучение определенной частоты в результате обстрела быстрыми электронами, присутствующими в лазерной плазме.

В эксперименте использовали два лазерных импульса. Первый, с энергией около 330 Дж и длительностью 1 пикосекунду, отправился внутрь мишени. На несколько десятков пикосекунд там образовалась плазма, а благодаря геометрии облучения и закрученной форме мишени магнитные поля были направлены навстречу друг другу так, что в области их соприкосновения происходила аннигиляция (взаимное уничтожение), приводящая к возникновению потоков частиц со скоростями, близкими к скорости света. Второй лазерный импульс был сфокусирован на расположенной рядом алюминиевой фольге и выбивал из нее пучки протонов, которые, отклоняясь в магнитном поле медной улитки, попадали на детектор. Так, методом протонной дефлектометрии, ученые измеряли характеристики магнитного поля.

Самое мощное поле

Эксперимент проводили в Японии, в Институте лазерной инженерии Университета Осаки. «В мире немного установок такой мощности и энергии — наверное, можно насчитать штук десять. Одна из них, LFEX, как раз в Осаке. Университет выделяет три месяца в году, когда пользоваться лазером могут любые исследовательские группы, на конкурсной основе. В нашем проекте мы планировали получить самое сильное магнитное поле, которое до сих пор удавалось создать в лабораториях», — отмечает Филипп Корнеев.

И получилось! В результате эксперимента зафиксировали магнитное поле более 2 тыс. Тл. Предыдущий рекорд тоже поставили в Японии, в 2018 году. Ученые из Института физики твердого тела Токийского университета получили магнитное поле с индукцией 1,2 тыс. Тл. Правда, авторы эксперимента разгромили лабораторию: после достижения пиковой мощности силовые линии магнитных полей замкнулись, оборудование взорвалось, с петель сорвало стальную дверь. Хорошо, что в этот раз все обошлось.

Есть интересная история?

Напишите нам

Самое сильное магнитное поле на Солнце нашлось там, где не ждали • Антон Бирюков • Новости науки на «Элементах» • Астрономия

По результатам наблюдения одной из групп солнечных пятен японские астрофизики обнаружили маленькую (около 1000 км в диаметре) светлую область на поверхности Солнца, магнитное поле в которой составляет 6250 Гаусс. Это одно из самых сильных полей, зарегистрированных на Солнце за всю историю измерений (110 лет), и самое сильное из достоверно определенных. Но интереснее всего то, что эта область формально находится вне солнечного пятна — то есть там, где столь сильное поле ожидалось меньше всего.

Солнце, как и любая «обычная» звезда (а мы не будем говорить о всякой экзотике вроде нейтронных звезд или белых карликов), — это гигантский самогравитирующий шар горячей плазмы. Плазма, в свою очередь, — это газ с преимущественным содержанием заряженных частиц (электронов, ионов и т. п.). В горячей плазме эти частицы движутся с очень большими скоростями. Как известно из основ электродинамики, там, где есть движущиеся заряженные частицы (то есть, по сути, электрический ток), есть и магнитное поле. И чем быстрее движется заряд — тем сильнее поле. Поэтому естественно, что магнитные поля являются неизменными спутниками жизни звезд, и в частности Солнца. Более того, эти поля управляют многими проявлениями активности звезд: вспышками, выбросами вещества, образованием пятен.

Солнце обладает крупномасштабным дипольным магнитным полем (см. Магнитные поля Солнца), медленно «закручивающимся» вокруг нашей звезды из-за ее вращения и в конечном итоге меняющим свои полюса примерно раз в 11 лет (физика этого процесса ясна еще не до конца, но он порождает знаменитый цикл солнечной активности). Индукция (грубо говоря, сила) этого поля на поверхности Солнца в среднем составляет около 1 гаусс. Это сравнимо с магнитным полем на поверхности Земли. В этом смысле Солнце, как звезда, — далеко не самая «замагниченная». Поля так называемых «магнитных звезд» в тысячи и десятки тысяч раз сильнее. Но в отдельные моменты времени в отдельных областях поверхности нашего светила магнитные поля могут возрастать на порядки, что приводит к вспышкам и вызывает корональные выбросы массы. Эти быстрые потоки плазмы возмущают межпланетное магнитное поле, а достигая магнитосферы Земли, вызывают полярные сияния, магнитные бури и прочие явления, влияющие на жизнь людей. Поэтому изучение магнитных полей Солнца — одновременно и прикладная задача, и, конечно же, чисто научная.

Кроме того, на примере Солнца можно также в деталях изучать магнетизм похожих на него звезд.

Темные пятна на поверхности Солнца — еще одно из проявлений локального усиления магнитного поля звезды. Систематически наблюдаемые вот уже более 400 лет, солнечные пятна — в некотором роде не более чем оптическая иллюзия: не такие они уж и темные на самом деле. Пятна — это области фотосферы Солнца с пониженной температурой. В среднем поверхность Солнца разогрета примерно до 6000 K, а вот пятна «остыли» до ~4500 K. Как известно, светимость нагретого тела меняется как четвертая степень его температуры (см. Законы теплового излучения). Отсюда и получается, что пятна выглядят примерно в 3 раза более тусклыми, а на контрасте с ярким окружением — почти черными.

При чем здесь магнитное поле? Базовая картина возникновения солнечных пятен на данный момент выглядит следующим образом. Пятна получаются там, где силовые линии крупномасштабного магнитного поля как бы всплывают из-под поверхности Солнца, образуя компактную особенность — петлю (рис. 1). Линии магнитного поля в основаниях петли собраны в плотные пучки, что эффективно усиливает поле в этом месте до 3–4 тысяч гаусс. Столь сильное поле препятствует подводу тепла из внутренних областей Солнца к поверхности тем, что частично подавляет конвекцию вещества: в основании петли плазма остывает и наблюдается как пятно (рис. 2). Отсюда же понятно, что пятна возникают парами и имеют разную полярность — северную или южную — в зависимости от того, как направлены в них линии локального магнитного поля (соответственно, из поверхности или в поверхность звезды).

Впервые магнитное поле Солнца было обнаружено и достоверно измерено в 1908 году американцем Дж. Хэйлом и как раз в одном из пятен (G. E. Hale, 1908. On the Probable Existence of a Magnetic Field in Sun-Spots). Тогда величина поля оказалось равной 2 килогаусс, что в 2–4 тысячи раз больше, чем магнитное поле Земли (но почти в 10 раз меньше, чем поле современного аппарата магнитно-резонансной томографии, примерно в 50 раз меньше самых сильных полей, создаваемых человеком, и в миллиарды раз меньше полей некоторых нейтронных звезд).

Наблюдение за солнечными пятнами и изучение их магнитных полей — одна из повседневных задач современной гелиофизики. Этим занимается в том числе и японская космическая обсерватория Hinode, выведенная на орбиту еще в 2006 году. В феврале 2014 года с ее помощью наблюдали одну из пар пятен, видимых тогда на Солнце (получившую обозначение NOAA 11967, рис. 3). Авторы исследования — сотрудники японской Национальной астрономической обсерватории Такенори Окамото (Takenori J. Okamoto) и Такаси Сакураи (Takashi Sakurai). Они и представили свои результаты в статье, опубликованной в журнале

The Astrophysical Journal Letters.

Ученые провели спектральные наблюдения пары пятен, позволившие измерить величину магнитного поля в разных ее частях. В центре большего пятна поле оказалось примерно в 4 тысячи раз больше, чем в среднем по Солнцу (то есть около 4 килогаусс). Это было вполне ожидаемо. Однако в светлой области между пятнами индукция оказалась еще больше и составила рекордные 6250 Гаусс. И вот это уже было сюрпризом. К слову, в 2013 году немецкие исследователи уже отчитывались о возможном обнаружении поля в 7 килогаусс в полутени солнечного пятна (M. van Noort et al., 2013. Peripheral downflows in sunspot penumbrae). Но это была всё же часть самого пятна, и полученная оценка была скорее косвенной (см. врезку про эффект Зеемана).

Главная проблема в том, что в светлой области между пятнами конвекция почти не подавлена и, казалось бы, сильного поля там быть не может. Поэтому авторам пришлось искать дополнительное объяснение этому парадоксу. Выглядит оно, в их представлении, следующим образом. Каждое солнечное пятно порождает радиальный поток плазмы, который со скоростью в несколько километров в секунду движется от центра пятна во внешние области. Это наблюдательный факт, называемый эффектом Эвершеда. Детали его еще не до конца прояснены, но вероятнее всего он связан с изменением наклона линий магнитного поля: вдали от центра пятна линии из вертикальных становятся горизонтальными и как бы стелются по поверхности звезды.

Поток Эвершеда существует как у северного, так и у южного пятна, но у одного из них он может оказаться сильнее. Тогда он способен немного прижать линии поля на границе соседнего пятна, от чего плотность энергии поля, а вместе с ней и величина самого поля должны существенно увеличиться (рис. 4). Это и есть идея, которая, в целом, объясняет полученные данные.

Интересно, что рецензент статьи, как указывают авторы в одном из примечаний к тексту, предложил и другую возможную интерпретацию: усиление поля в изучаемой области произошло из-за явления пересоединения (наложения) силовых линий магнитного поля (см. статью «Загадка солнечных вспышек»). При этом детально такая версия в статье не обсуждается.

В любом случае, полученные наблюдательные данные накладывают дополнительные ограничения на структуру и силу потоков вещества, наблюдающихся внутри пар солнечных пятен, — в том числе и потока Эвершеда, физика которого, напомним, еще до конца не ясна. Любая модель, описывающая эти потоки, теперь должна допускать образование полей, по силе не уступающих обнаруженному. А глубокое понимание физики солнечных пятен — это, в конечном итоге, понимание многочисленных эруптивных процессов происходящих на Солнце, влияющих на нашу глобально электрифицированную цивилизацию всё больше и больше.

Источник: Takenori J. Okamoto, Takashi Sakurai. Super-strong Magnetic Field in Sunspots // The Astrophysical Journal Letters. 2018. DOI: 10.3847/2041-8213/aaa3d8.

Антон Бирюков

Сильнейшее магнитное поле в мире | Высокотемпературные магниты

Новый высокотемпературный сверхпроводящий магнит достиг 20 тесла.
Магнит такой же мощный, как и предыдущая структура, в 40 раз больше его размера.
Дополнительная мощность (с уменьшенной массой) может способствовать ядерному синтезу.

Ученые впервые использовали высокотемпературный сверхпроводящий электромагнит для создания поля напряженностью 20 тесла — самого мощного высокотемпературного магнитного поля, когда-либо созданного на Земле. Исследователи говорят, что это положительный шаг к доказательству того, что термоядерные электростанции однажды смогут производить больше энергии, чем потребляют.

После трех лет сотрудничества Массачусетский технологический институт (MIT) вместе со стартапом Commonwealth Fusion Systems (CFS) из Кембриджа, штат Массачусетс, 5 сентября достигли рубежа в 20 тесла. единица магнитного потока на квадратный метр.) Этот прорыв — большое дело, но в сверхпроводящих электромагнитах есть нечто не менее важное: они отвечают требованиям, чтобы считаться «высокотемпературными».

➡️ Далее, Знакомство…

…Самый мощный магнит в мире

Сверхпроводящие магниты изготавливаются из материалов, известных под общим названием сверхпроводники, которые обычно представляют собой металлы и сплавы, которые охлаждаются до тех пор, пока они не проводят электричество с буквально нулевым сопротивлением. Но большое значение имеет температура, при которой происходит это изменение.

Традиционные («низкотемпературные») сверхпроводники необходимо охлаждать почти до абсолютного нуля, а это -273 градуса Цельсия. Однако для этого требуется обширная инфраструктурная сеть и огромное количество энергии. Между тем, высокотемпературные сверхпроводники могут работать при температурах до -173 по Цельсию, что все еще чрезвычайно холодно, но требует гораздо меньше энергии и габаритов.

Посмотреть полный пост на Youtube

«Новый материал высокотемпературного сверхпроводника, выполненный в виде плоской лентовидной ленты, позволяет достичь более сильного магнитного поля в меньшем устройстве, равном производительность, которая была бы достигнута в аппарате в 40 раз большем по объему с использованием обычных низкотемпературных сверхпроводящих магнитов», — отмечается в подготовленном заявлении Массачусетского технологического института.

Как все это вписывается в гонку за энергию ядерного синтеза? Во-первых, магниты являются ключевыми для ядерных термоядерных реакторов. Типичный термоядерный реактор имеет примерно форму пончика (или «тора») со слоями изоляции и структурой, которые содержат поток раскаленной солнцем элементарной плазмы. Плазма моментально проплавила бы почти любое вещество на Земле, поэтому имеет смысл удерживать ее на месте с помощью мощнейших магниты на Земле.

🤯 Еще одна умопомрачительная наука

Почему Никола Тесла был таким крутым ученым
Почему мы на пороге ядерного воспламенения
Китайское искусственное солнце бьет рекорды термоядерного синтеза

На сегодняшний день нет термоядерного реактора произведенная полезная мощность, что означает большую мощность, чем энергия, необходимая для запуска и запуска реактора. На самом деле, никто даже близко не подошел, и это одна из причин, по которой публика рассматривает ядерный синтез как своего рода рекламную презентацию Music Man — всегда через десять лет и никогда не выполняющую свои обещания.

Это еще одна причина, по которой этот магнит так важен. Увеличивая напряженность магнитного поля, ученые могут потреблять гораздо меньше энергии в реакторе токамак. Это может приблизить идею воспламенения плазмы или чистой продуктивной термоядерной энергии к нашей досягаемости.

Огромный международный плазменный токамак под названием ITER объявил, что он запустит свою первую плазму в 2025 году. Испытательный реактор Массачусетского технологического института с новыми магнитами, названный SPARC, находится в своем собственном графике с менее традиционной конструкцией. Но будущее чистой, изобильной энергии может быть ближе, чем мы думаем.

Кэролайн Делберт

Кэролайн Делберт — писатель, заядлый читатель и пишущий редактор журнала Pop Mech. Она также энтузиаст практически всего. Ее любимые темы включают ядерную энергию, космологию, математику повседневных вещей и философию всего этого.

Ученые только что открыли самое сильное магнитное поле во Вселенной

Побив предыдущий рекорд на 60 процентов.

Открытие Insight-HXMT линии циклотронного поглощения фундаментальных электронов около 146 кэВ для первого галактического сверхяркого рентгеновского пульсара Swift J 0243.6+6124.IHEP обнаружил самое сильное магнитное поле, непосредственно измеренное во Вселенной до сих пор.

Известно, что нейтронные звезды генерируют самые сильные магнитные поля во Вселенной. Эти магнитные поля вблизи поверхности нейтронной звезды можно точно и напрямую измерить только с помощью циклонно-резонансного рассеяния (CRSF). Команда Insight-HXMT обнаружила линию циклотронного поглощения с энергией 146 кэВ в рентгеновской двойной нейтронной звезде Swift J0243.6+6124, что соответствует поверхностному магнитному полю более 1,6 миллиарда Тесла.

Результаты были опубликованы в прошлом месяце в Astrophysical Journal Letters . Они были получены совместно Ключевой лабораторией астрофизики частиц Института физики высоких энергий (ИФВЭ) Китайской академии наук и Институтом астрономии и астрофизики Кеплеровского центра астрофизики и физики элементарных частиц Тюбингенского университета.

Insight-HXMT бьет собственные измерения

Это не первый рекорд Insight-HXMT.

Два года назад команда Insight-HXMT сообщила об обнаружении 9Циклотронная линия поглощения 0 кэВ от нейтронной звезды в рентгеновской двойной системе GRO J1008-57, что соответствует поверхностному магнитному полю в 1 миллиард Тесла, что установило мировой рекорд по прямому измерению самого сильного магнитного поля во Вселенной в то время . Позже другой рекорд для циклотронной линии поглощения — с максимальной энергией около 100 кэВ — был обнаружен Insight-HXMT от другой нейтронной звезды в 1A 0535+262.

Снова и снова астрономический спутник демонстрирует свою способность исследовать энергетический спектр. И на этот раз он побил свой предыдущий рекорд на 60 процентов.

Линии циклотронного поглощения могут быть вызваны резонансным рассеянием

Рентгеновская двойная система нейтронной звезды состоит из нейтронной звезды и звезды-компаньона. Газ звезды-компаньона падает на нейтронную звезду, образуя аккреционный диск. В свою очередь, плазма в аккреционном диске будет падать по магнитным линиям на поверхность нейтронной звезды, испуская мощное рентгеновское излучение. Такие выбросы приводят к периодическим рентгеновским импульсным сигналам, в результате чего они получили название «рентгеновские аккреционные пульсары».

Самые популярные

Предыдущие наблюдения показали, что такие пульсары имеют поглощающие структуры в спектрах рентгеновского излучения, известные как циклотронные линии поглощения. Это может быть вызвано резонансным рассеянием и, таким образом, поглощением рентгеновских лучей электронами, движущимися вдоль сильных магнитных полей.

Это явление можно использовать для непосредственного измерения напряженности магнитного поля вблизи поверхности нейтронной звезды, поскольку энергия поглощающей структуры соответствует напряженности поверхностного магнитного поля.

Первое твердое доказательство

Теперь сверхяркие рентгеновские пульсары, объекты, рентгеновская светимость которых намного превышает светимость канонических рентгеновских аккрецирующих пульсаров, ранее были обнаружены в нескольких галактиках, далеких от Млечного Пути.

Insight-HXMT провел детальные и широкополосные наблюдения за вспышкой Swift J0243.6+6124, первого ультраяркого рентгеновского пульсара Млечного Пути, и однозначно обнаружил его циклотронную линию поглощения. Эта конкретная линия показала энергию до 146 кэВ, что соответствует поверхностному магнитному полю более 1,6 миллиарда Тесла, что привело не только к самому сильному магнитному полю во Вселенной, непосредственно измеренному на сегодняшний день, но и к первому обнаружению электронной циклотронной линии поглощения в ультраяркий источник рентгеновского излучения.

Прямое измерение магнитного поля с помощью Insight-HXMT на основе циклотронной линии поглощения на порядок больше, чем оценка с использованием косвенных средств.