Семиков С.А. "Магнитные звёзды - компас звездолёта"

МАГНИТНЫЕ ЗВЁЗДЫ – КОМПАС ЗВЕЗДОЛЁТА

Магнитный шар, подброшенный на воздух, притягивал к себе железо по прямой линии, вследствие чего [летающая] колесница не могла уклониться в сторону…, так как колесница не переставала тянуться к магниту.

Сирано де Бержерак “Иной свет или государства и империи Луны”

Магнитное поле Земли издревле помогало людям отыскивать путь на суше и в океане. Когда человечество обратило взор в космический океан, магнитное поле обнаружили также у других космических тел, включая Солнце и иные звёзды [1]. Неожиданно, с помощью тарелки радиотелескопа, Джоселин Белл обнаружила и звёзды со сверхсильными магнитными полями – пульсары, которым пророчили в космосе роль компаса [2]. Полагали, что сильное магнитное поле и ведёт к генерации пульсарами мощных радиоимпульсов, по которым в любой точке галактики, как по земным радиомаякам, легко определить галактическую широту, долготу и направление на Землю или на полюс Галактики. Но механизм генерации магнитного поля пульсарами и другими магнитными звёздами до сих пор во многом загадочен.

Впервые магнитное поле звёзд обнаружил Хэйл в 1908 г. у ближайшей к нам звезды по эффекту Зеемана – расщеплению спектральных линий в магнитном поле Солнца [1]. А вскоре открыли звёзды с намного более сильными магнитными полями [3]. Уже тогда это показалось странным, ведь в отличие от Земли, магнетизм которой прежде объясняли железным ядром, в Солнце нет твёрдого железа. По иронии судьбы в том же 1908 г. Ритц предложил баллистическую теорию, в итоге легко решившую загадку магнитных звёзд [2], хотя идеи этой теории высказывались и прежде, в том числе Галилеем, Гассенди и Сирано в “Ином свете”. Эти магнитные звёзды (названные пекулярными Ap-звёздами или спектрально-переменными) открыл русский астроном А.А. Белопольский [4]. Так, у звезды α₂ Гончих Псов спектральные линии регулярно меняли интенсивность и раздваивались, что расценили как расщепление линий по эффекту Зеемана. Сам Белопольский объяснял это “раздвоение личности” движением пары звёзд: их спектральные линии сходятся и расходятся (рис. 1).

Это подтверждалось и тем, что линии отдельных элементов не раздваивались, а лишь смещались (от дефицита элемента в одной из звёзд). Так, у α₂ Гончих Псов линии эрбия и хрома смещались в противофазе друг с другом, что говорило о противофазном орбитальном движении двух звёзд, содержащих эрбий и хром в атмосфере. В противофазе менялась и интенсивность линий таких звёзд [4]. У ряда линий, как обнаружил Белопольский, интенсивность менялась дважды за период, видимо от эффекта Ритца, меняющего яркость W звезды на расстоянии r как W'=Wg и частоту f спектральных линий как f'=fg в g=1/(1+ra_r/c²) раз, от колебаний лучевого ускорения a_r звезды [2]. При сравнимой яркости звёзд их суммарный блеск и яркость отдельных спектральных линий будут меняться дважды за период, найденный по графику лучевых скоростей. Казалось бы, противофазные колебания блеска двух звёзд скомпенсируют друг друга [5]. Но фактически максимумы кривых блеска W'(t) заостряются эффектом Ритца и уже не компенсируют одна другую: интегральная кривая блеска получается двугорбой (рис. 2), как у двойных звёзд типа β Лиры и W Большой Медведицы [6].

Уже многие астрофизики допускают, что плавные колебания блеска звёзд вызваны движением по орбите. Эту теорию для переменных типа Миры (ο Кита) защищал Г.М. Рудницкий [5]. У звёзд в основании главной последовательности из-за высокой плотности протопланетного облака и межзвёздного газа свет звезды успевает переизлучиться, обретая фиксированную скорость c, а у крупных звёзд на вершине главной последовательности свет переизлучает мощная атмосфера [1]. Поэтому в обоих случаях эффект Ритца мал, и переменными становятся лишь звёзды в узкой полосе нестабильности [6]. Изредка и крупные звёзды меняют яркость при снижении концентрации газа, но их колебания нестабильны.

Гипотезу Белопольского сменила гипотеза магнитных звёзд, хотя непонятно как возникают гигантские магнитные поля этих звёзд (~1000 Гс) и почему в одних участках звезды больше одних элементов, а в других – других. Поэтому логично вернуться к гипотезе Белопольского, которая объясняет ещё и колебания яркости, цвета таких звёзд по эффекту Ритца.

С другой стороны, гипотеза магнитных звёзд объясняла циркулярную поляризацию одних линий по часовой, а других – против часовой стрелки – по эффекту Зеемана. Но и баллистическая теория предсказывает поляризацию излучения, ведь при движении звёзд иллюзорно растягиваются не только их изображения, но и орбиты электронов [2]. В итоге электрон, летящий по круговой орбите, излучает как на вытянутой и наоборот (рис. 1). Соответственно, у излучения появится линейная или круговая поляризация. У одной звезды и соответствующих линий излучение тогда поляризовано по часовой, а у другой звезды – против часовой стрелки. Ведь на поверхности звезды одинаковое число электронов, крутящихся в левую и правую сторону. Но движение ведёт к мнимому сжатию одних орбит и растяжению других – соответственно, интенсивность одной поляризации, например правой, растёт, а левой – уменьшается. У звезды-спутника – обратная ситуация, т.к. её скорость направлена обратно (рис. 1). Соответственно, у спектральных линий звёзд противоположные поляризации, и линии периодично сходятся-расходятся за счёт доплер-эффекта. Возможно расщепление и на много линий, если изображения звезды умножены перекосом графика лучевых скоростей V_r(t) [2]: каждому изображению отвечает своя скорость и свой сдвиг частоты Δf (рис. 1, штрих-пунктир). Это тоже расценят как проявление эффекта Зеемана, т.е. появление магнитного поля. Но расщепление и расчётное магнитное поле меняется не плавно, а скачками, подобно лучевой скорости, на графике которой возникают разрывы, как у звёзд типа β Большого Пса [6]. Линии поляризованы и малым магнитным полем звёзд, где крутятся электроны.

У пекулярных Ap-звёзд обнаружены и короткопериодичные колебания блеска с периодом 5–20 минут [3]. Их нельзя объяснить движением спутника, но с таким периодом происходят малые пульсации поверхности звёзд [7]. Например, у Солнца атмосфера колеблется с периодом 5 минут и с амплитудой скорости ~100 м/с [8]. Эти колебания недостаточны для заметных вариаций яркости. Но на больших дистанциях незначительные вариации скорости атмосферы вызывают заметные вариации яркости по эффекту Ритца, как показал С. Девасиа [7]. Возникает компромисс между объяснением переменных звёзд по теории Ритца и по теории пульсаций. Так же и у белых карликов колебания оптического блеска и поляризации с периодом в несколько минут [8] можно объяснить пульсацией поверхности с тем же периодом. Эти колебания блеска тоже иллюзорны, как и гигантское магнитное поле ~10⁷ Гс белых карликов, обнаруженное по периодичному расщеплению спектральных линий. Но, как в случае “магнитных” звёзд, расщепление возможно и от орбитального движения (рис. 1).

Особенностью пекулярных звёзд служат их спектры, где много линий переходных элементов – хрома и редкоземельных элементов, типа лантана, европия, гадолиния, диспрозия и т.д. [3]. За изобилие этих элементов, редких для звёзд, их и назвали пекулярными (т.е. нетипичными), словно и сами эти звёзды – экзотика, редкие “земли”. Но если однажды доплывём до них на космическом корабле, окажется, что это рядовые звёзды главной последовательности, меняющие спектр и яркость по эффекту Ритца. А облака межзвёздного газа, сквозь которые летит свет звёзд, обогащают его своими спектральными линиями. В спектре переходных элементов наибольшее число линий, эффективно запасающих, а затем высвечивающих энергию, из-за чего хром, неодим, эрбий, иттербий применяют в лазерах. Поэтому, когда свет, преобразуя частоту ритц-эффектом [9], проходит через эти облака, он эффективно поглощается и переизлучается переходными элементами (атомы которых вдобавок ионизованы и двукратно ионизованы [6] УФ-светом, созданным Ритц-эффектом). Оттого в спектре звёзд, для которых силён эффект Ритца, появляются линии этих элементов – это своего рода космический лазер. Так и космические мазеры высвечивают по ритц-эффекту линии OH, CO, H₂O, которых нет в спектрах звёзд, но есть в облаках межзвёздного газа на пути света [9].

Засветка звездой межзвёздного газа на резонансных частотах объясняет и свечение туманностей вокруг новых и сверхновых звёзд, которые тоже бывают магнитными, например V1500 Лебедя. Звезда наблюдается как новая или сверхновая, когда повышает свою яркость по эффекту Ритца при достижении ускорением критической величины a_r=-c²/r [2]. Те участки межзвёздного газа, для которых это условие выполнено, тоже выглядят яркими, т.к. эффективно поглощают и излучают свет, частота которого быстро пробегает все резонансные частоты. При этом можно одновременно видеть свечение только тех точек M межзвёздного газа, для которых сумма расстояний до звезды AM и до Земли MB одинакова. Тогда переизлучённый свет затрачивает одинаковое время t=(AM+MB)/c на путь до Земли (рис. 3). В пространстве эти точки располагаются на эллипсоиде вращения с фокусами A на звезде и B – на Земле. С течением времени t этот эллипсоид расширяется: растёт большая ось AM+MB=2h.

Множество точек M, в которых выполнено условие засветки a_s=c²/s, где s=AM, представляет собой плоскость, перпендикулярную вектору ускорения звезды: она задана уравнением as=c², где a – вектор ускорения, s – радиус-вектор AM точки M, проведённый из звезды A. Итак, светящаяся область в виде сечения эллипсоида представляет собой эллипс вокруг звезды (или окружность, если ускорение направлено точно к Земле [10]). Уравнение эллипса y(x) найдётся из решения системы уравнений эллипсоида x²/b²+y²/b²+z²/h²=1 (b – малая полуось, d – фокусное расстояние, рис. 3) и секущей плоскости a_yy+a_z(z–d)=c², где a_y, a_z – проекции ускорения a на оси y и z (a_x=0). Со временем эллипс y(x) расширяется от роста h. Именно так выглядят пухнущие оболочки новых и сверхновых, по сути,– световое эхо [2, 10]. Из-за эха их вспышки резко разгораются и плавно угасают: так и резкий звук, хлопок многократно отражается от стен и кресел зала, постепенно угасая (реверберация). В редких случаях, в отсутствие газа на пути света, у сверхновых V типа наблюдают симметричную кривую блеска [11], точно соответствующую расчётной кривой блеска двойной звезды. Поскольку новые и сверхновые – это обычно именно двойные звёзды, вторая звезда тоже засвечивает межзвёздный газ. Ускорение этой звезды a₂ направлено противоположно a₁, и газ засвечивается с обратной стороны от звезды. В итоге образуется два светящихся кольца-эллипса: одно чуть меньше другого (рис. 3). Именно так выглядит туманность вокруг сверхновой SN 1987A.

Если плоскости почти параллельны лучу зрения r, видны только близкие к звезде участки, сегменты эллипсов – две дуги, две арки, имеющие вид гипербол из-за эффекта перспективы (рис. 4). Если звёздная система насчитывает 3 и больше звёзд, тогда растёт число засвеченных эллипсов или их дуг, как в туманностях “Эскимо” (NGC 2392) или He 2-47. И точно, большинство туманностей новых имеют такой вид. В ряде случаев эти аморфные структуры дополняются размытыми вдоль траекторий изображениями звёзд. Обычно у оболочек сверхновых резкая внешняя граница и размытая – внутренняя, ибо свет переизлучается не только при s=c²/a_s, но и при меньших дистанциях s, например при ритц-трансформации частоты f эмиссионных линий в другие резонансные частоты f'=gf. Поэтому иногда оболочек видно много: каждой соответствует свой коэффициент g преобразования частоты и своя секущая плоскость. Интересно, что подобное отражение света вспышки зеркальной оболочкой, имеющее вид расширяющихся колец, рассмотрел впервые в рамках баллистической теории товарищ Ритца – П. Эренфест в работе “Кризис в гипотезе о световом эфире”.

Так же и “коконы”, светящиеся оболочки вокруг цефеид могут быть результатом засветки межзвёздных облаков. Да и выявленные звёздными интерферометрами диски цефеид могут соответствовать не истинной поверхности звёзд, а засвеченным участкам газа. А поскольку меняется направление вектора ускорения звезды (и положение секущей плоскости), меняется и размер, форма светящегося эллипса, что воспринимают как пульсацию звезды-гиганта. Реальная звезда не пульсирует, а движется по орбите и её размеры много меньше [2, 10]. Аналогичные оболочки видны у эллиптических галактик [12]. У них тоже излучение отдельных звёзд регулярно достигает критической величины a_s=c²/s, и в ряде точек М их оптическое излучение по ритц-эффекту переводится в рентгеновский диапазон, переизлучаясь в нём. Поэтому ряд эллиптических галактик окружён рентгеновским гало, по спектру которого расчётные температуры газа – миллионы кельвинов [12], хотя истинная температура мала.

Светящиеся кольца вокруг галактик и кратные изображения квазаров тоже иногда могут быть следствием засветки облаков газа вдоль сечения-эллипса. Это объясняет синхронные колебания яркости изображений, т.к. свет проходит от квазара до Земли одинаковый путь 2h (рис. 5). Небольшое запаздывание колебаний яркости одних изображений относительно других вызвано разницей скоростей света, испущенного квазаром в разных направлениях. Сами колебания яркости квазаров, с характерными периодами от суток до недель, тоже объяснимы эффектом Ритца. Как отмечал автор [9, 13], квазары, радиогалактики, лацертиды представляют собой, видимо, просто эллиптические галактики, в которых мало газа и пыли. Поэтому свет проходит сквозь них без переизлучения, преобразуясь эффектом Ритца. Конечно, эти колебания яркости на ~ΔW у каждой из N звёзд средней яркости W не синхронны и обычно гасят друг друга, но и при случайном сложении они создают флуктуации яркости ~ΔWN^1/2, и относительные колебания яркости δW~(ΔW/W)N^–1/2. Тогда при амплитуде (ΔW/W)~10⁴ галактика из миллиарда звёзд (N=10⁹) меняет яркость на 30 %. Ведь в отсутствие переизлучения каждая звезда, летящая по своей орбите, регулярно достигает критического ускорения, вспыхивая по эффекту Ритца как новая. Амплитуда и характерное время колебаний блеска зависят от размера, типа галактики и спектрального диапазона. Так при уменьшении концентрации газа, размера галактики и числа N звёзд в ней, колебания δW~(ΔW/W)N^–1/2 растут [12]. Не зря есть много типов переменных галактик – квазары, лацертиды, сейфертовские галактики, N-галактики – с разными характерными амплитудами и временами колебаний блеска. Кроме того, при наблюдении на всё более высоких частотах (в рентгеновском и гамма-диапазоне) характерное время изменений блеска уменьшается [12], за счёт снижения эффекта переизлучения и от вариаций блеска при смещении спектра по эффекту Ритца.

Отличить засвеченный газ (в форме дуг и колец) от размытых изображений звёзд и квазаров легко: размытые изображения – тонкие, яркие и чёткие, а засвеченные облака – клочковатые, неровные, туманные, как у пары колец SN 1987A и у кольца туманности Ожерелье (рис. 4). Кроме того, у газовых колец спектр эмиссионный, и обычно высвечиваются запрещённые линии. А кольца, возникшие в ходе размытия и размножения изображений звёзд, характеризует обычный непрерывный или эмиссионный спектр из разрешённых линий.

Яркие узлы на кольце туманности Ожерелье (рис. 4) и радиально расходящиеся от них светлые полосы обусловлены, видимо, поглощением и переизлучением света облаками газа и пыли. В итоге, рост яркости по эффекту Ритца идёт лишь в узких секторах – в окнах прозрачности. Отсюда яркие узлы и расходящиеся от них лучи – как на земных облаках, просветы в которых высвечивают снопы лучей солнца. Такие же радиальные лучи-спицы видны в туманности Гантель, GK Персея и в других туманностях (рис. 4). Яркие узлы видны в точках, где as≈c², а лучи соответствуют более далёким участкам, до которых доходит свет, не испытавший переизлучения сразу. Если частота f одной эмиссионной линии преобразуется в другую f'=fg, условие уже as=c²–c²/g. Разной компрессии g соответствуют разные секущие плоскости, образующие на эллипсоиде не один эллипс, а семейство близких светящихся эллипсов. Этим можно объяснить туманности типа Песочные часы и др. (рис. 4). Интерпретировать как размытые изображения звёзд можно лишь чёткие внутренние кольца этих туманностей [14], а внешние, клочковатые и неровные – это, скорее, результат засветки облаков газа.

Если учесть, что ускорение звезды меняется, секущая представляет собой не плоскость, а сложную поверхность, и эллипс искажается, перекручивается, приобретая форму восьмёрки, что объясняет скрученное восьмёркой светящееся кольцо газа в Sgr A* (хотя это может быть и размытое вдоль сложной орбиты скопление звёзд [14]). Линия пересечения может быть и винтовой (если ускорение монотонно растёт). Светящиеся спирали наблюдаются у ряда звёзд в виде спиральных джетов, как у R Скульптора (рис. 4). Как волшебный фонарь, или прожектор, которым нижегородский оптик, механик, изобретатель самоходных колесниц и кораблей, И. Кулибин, рисовал на облаках картины, предвосхитив лазерные шоу, так и вспышки звёзд рисуют на облаках газа красочные картины, размером превосходящие звёзды.

Можно предположить, что древние вспышки звёзд засвечивают и намного более широкие области, охватывающие огромные участки Галактики. Например, известно газовое кольцо Линдблада, излучающее УФ- и радиолучи, окружающее Землю и наклонённое на 20° к плоскости Галактики. Кольцо имеет размеры 1000×500 парсек и форму эллипса, т.е. может быть результатом засветки газа, излучающего по тому же механизму, что и мазеры (рис. 3). В этой же области за счёт возбуждения молекул межзвёздного газа, они не поглощают, а усиливают излучение звёзд по тому же механизму. Оттого в этом кольце наблюдается больше звёзд – они образуют пояс Гулда [12]. Возникает эффект аналогичный лазерному индуцированному просветлению среды. Для формирования такой картины вспыхнувшая звезда или шаровое скопление звёзд должны длительно обладать ускорением близким к критическому, а размер эллипсоида при этом огромен. Вероятней всего, шаровое скопление расположено над плоскостью галактического диска, притяжение которого и создаёт достаточное ускорение. Так же и для звёзд, расположенных над и под центром Галактики, эффект Ритца велик, от значительных сил притяжения к галактическому центру, большого расстояния до него и малой концентрации переизлучающего газа. Области, в которых ускорения достигают критической величины, близки к сегментам сфер. Это объясняет наблюдаемое над и под плоскостью Галактики гамма-свечение – так называемые гамма-пузыри [12, с. 236] и галактические фонтаны – выбросы газа, излучающие рентгеновские лучи и соответствующие огромной температуре [12, с. 147]. На деле это может быть газ умеренной температуры, переизлучающий свет звёзд, преобразованный эффектом Ритца в УФ- и рентгеновский диапазон.

У сверхновых и новых звёзд блеск колеблется и после вспышки. Причина может быть в орбитальном движении звезды: колебания происходят с орбитальным периодом, сжатым по эффекту Ритца в g раз: P'=P/g. Поскольку яркость новых падает со временем от снижения g, период колебаний блеска P'=P/g растёт [13]. Такой эффект наблюдался у Новой Персея, вспыхнувшей в 1901 г. [11]. Колебания блеска с переменным периодом и амплитудой обнаружены также у звёзд, открытых телескопом “Кеплер”, например у KIC 3858884. Эти вариации блеска соответствуют графикам лучевых скоростей или ускорений [13, 15]. А мелкая рябь на графиках вызвана движением в поле тяготения близких спутников. Частота, амплитуда мелкой ряби растёт возле максимумов и минимумов блеска ввиду роста компрессии g.

У повторных новых и новоподобных звёзд типа U Близнецов тоже открыта связь амплитуды вспышек A и периода P меж вспышками: чем больше период, тем ярче вспышки. Эта зависимость, открытая Кукаркиным и Паренаго, следует из эффекта Ритца, поскольку средняя яркость звезды постоянна и равна её истинной яркости W. Эффект Ритца, сжимая длительность, по сути, аккумулирует это излучение яркости W, испущенное в течение периода P между двумя достижениями a_r≈-c²/r, скажем в кратной системе, где P меняется. От растяжения масштаба времени между вспышками яркость падает до ~W/(1+ra/c²), а воспринимается “потерянная” энергия ~PW за краткий миг вспышки Δt. Отсюда яркость вспышки W'~PW/Δt. Логарифмируя, получим амплитуду вспышки A~log_2,51(W'/W)= 3,5+2,5·lgP, примерно соответствующую закону Кукаркина-Паренаго A=2,00+1,78·lgP для U Близнецов, где P выражено в сутках [16]. Несоответствие обусловлено неточностью оценки Δt~1 часа и неучётом сложной формы кривой блеска и смещения спектра звезды в высокочастотную область. В итоге рост яркости несколько меньше расчётного и различен у разных звёзд.

Остатками взрывов сверхновых считают пульсары. Их тоже полагают магнитными звёздами. Если пульсар входит в двойную систему, его скорость измеряют по эффекту Доплера методом тайминга – по вариациям периода пульсаций. Но вариации могут быть вызваны как эффектом Доплера, так и эффектом Ритца. Считая это смещение чисто доплеровским, находят расчётное значение скорости V_r'=cΔλ/λ=V_r+ra_r/c, отличное от истинного V_r.

Для графиков лучевых скоростей звёзд, летящих по круговой орбите (рис. 6), эффект Ритца приведёт к изменению орбитальной фазы Φ звезды. Лучевая скорость звезды меняется как V_r=-Vsin(2πt/P), а ускорение a_r=dV_r/dt=-(2πV/P)cos(2πt/P), и вносимая им лишняя мнимая (кажущаяся) скорость V_r^*=ra_r/c. Отсюда расчётная скорость задана выражением V_r'=V_r+V_r^*=-K'sin(2πt/P+φ), где сдвиг по фазе φ=arctg(2πr/Pc), а расчётная амплитуда K'=K[1+(2πr/Pc)²]^1/2.

Фазовое смещение графика лучевых скоростей V_r'(t) (Рис. 6) можно обнаружить у спектрально-двойных звёзд, если они затменные. Теоретически затмение звезды с круговой орбитой наблюдалось бы в момент наибольшего её удаления в фазе кривой лучевых скоростей 0. Если кривая искажена эффектом Ритца, затмение запоздает относительно фазы 0 на разность фаз φ, достигающую π/2 (в орбитальной фазе Φ=0,25) в предельном случае, когда смещение спектра вызвано в основном эффектом Ритца. Несоответствия кривых блеска и лучевой скорости реально открыты, скажем у звезды υ Андромеды [15], у двойного пульсара PSR 1957+20. У него затмение наступает в орбитальной фазе Φ=0,25 [17], совпадающей с предельным значением 0,25, при котором вариации периода целиком вызваны эффектом Ритца.

Также у двойного радиопульсара PSR 1957+20 открыты плавные колебания оптического блеска и цвета с орбитальным периодом P≈9,17 часа [18] – ещё одно проявление эффекта Ритца. Не зря форма кривой блеска W'(t) соответствует по эффекту Ритца графику лучевых ускорений a_r(t) для звезды, летящей по эллиптической орбите (рис. 2) [19]. Такой же эффект – у пульсара PSR 1913+16: у него график лучевых скоростей тоже отражает колебания лучевого ускорения (варьирующего частоту пульсаций по эффекту Ритца). При этом кривая для круговой орбиты искажена эффектом Ритца, и лишь примерно соответствует эллиптической орбите [19]. Тот же эффект у пульсаров PSR 1741-3056 и PSR J1311-3430. Проверить это можно, наблюдая изменение графика лучевых скоростей при повороте орбиты (полный поворот орбита делает за 85 лет). Теоретически через полпериода (через 42 года после открытия в 1974 г., т.е. сейчас) график лучевых скоростей должен стать зеркальным отражением прежнего. На деле это не так, ибо в минимумах график лучевых скоростей сжат по оси времени эффектом Ритца (рис. 2). Ещё быстрее происходит поворот орбиты пульсара PSR J0737-3039, открытого в 2003 г.,– полный оборот за 21 год. Поэтому скоро должны обнаружиться нестыковки ожидаемого и наблюдаемого графика лучевых скоростей. Наблюдается именно кривая лучевых скоростей с перекосом по эффекту Барра, от эффекта Ритца [13, 19]. Несоответствия приведут, по мере вращения орбиты, к мнимому изменению эксцентриситета и скорости центра масс, что и наблюдается у PSR 1913+16 и других двойных звёзд [20].

Чтобы выяснить истинное устройство магнитных звёзд, новых и сверхновых, надо связаться с обитателями их планет, либо слетать к ним. В этом тоже поможет баллистическая теория, позволяющая строить антиграв-двигатели (в т.ч. магнитные), сверхсветовые корабли и передатчики [15, 22]. При разгоне элементарных частиц до сверхсветовых скоростей с их потоком можно пересылать сообщения в далёкие звёздные системы за секунды. Такая сверхсветовая телеграмма-молния представляет собой модулированный поток заряженных частиц, разогнанных ускорителем, примерно как в фильме “Моя мачеха-инопланетянка”.

Космический двигатель построить намного сложнее. Он должен быть лёгким и эффективным, разгонять частицы до высоких скоростей с минимальными затратами энергии. Такой двигатель тоже можно построить на основе баллистической теории. Для этого разгон частиц можно осуществлять ускорителями типа тандемного [21]. Вначале положительно заряженная диафрагма притягивает и ускоряет отрицательные ионы, а затем в тонком слое фольги или при воздействии лазерного излучения происходит обдирка электронов и оставшееся положительное ядро диафрагма ускоряет уже отталкиванием. Можно установить ряд таких секций, поочерёдно присоединяя и отрывая электроны от атомов. Такие знакопеременные пластины можно зарядить сильнее, чем ряд пластин одного знака. Не исключено, что космические лучи созданы именно потоками сверхэнергичных частиц от инопланетных кораблей, а вовсе не от магнитных звёзд-пульсаров и сверхновых [22]. С другой стороны, эти звёзды, остатки сверхновых, пульсары могут стать удобными ориентирами для космических путешествий, в том числе для определения координат и скорости корабля. Так, частота импульсов пульсаров, число ярких узлов на светящемся кольце SN 1987A и других кратных изображений, будет меняться в зависимости от скорости и положения космического корабля.

Другой тип двигателя – магнитный – ориентирует сильным магнитным полем распадающиеся ядра (например кобальта), которые уже сами по себе излучают частицы с огромными скоростями. Поскольку продукты распада вылетают преимущественно в одном направлении, двигатель будет создавать ощутимую тягу даже без дополнительных затрат на ускорение частиц. Следует только подобрать тип ядер, у которых делящиеся фрагменты имеют наивысшую массу и энергию, а период полураспада мал. Идеально для этой цели подходят радий и трансурановые элементы. Даже в отсутствие магнитного поля мириады крупиц такого вещества будут создавать заметную тягу. Если же атомы этого вещества ещё и ориентировать магнитным полем (например, в тонком слое воды), тягу можно будет существенно повысить. Впрочем, эффективность и безопасность такого двигателя не слишком велика: он обеспечит скорость космического корабля порядка скорости света, а уровень радиации будет очень велик. Для защиты от неё потребуется толстая броня, которая, поглощая продукты распада, вылетающие вперёд, будет сообщать кораблю добавочный импульс. Единственное преимущество такого двигателя – простота и дешевизна: как в химических ракетах топливо здесь будет сразу и источником энергии, и рабочим веществом. Идея такого двигателя предложена Д. Джоунсом [23] и ярко проиллюстрирована в фильме “Флаббер”.

По баллистической теории возможен и чисто магнитный двигатель, ориентирующий мощным магнитным полем электроны так, чтобы они испускали частицы-реоны преимущественно в одну сторону, создавая реактивную силу. Этой цели могут служить новые магнитные материалы, высокотемпературные сверхпроводники. Того же эффекта можно добиться быстрым вращением дисков. Выходит, шуточный магнитный двигатель из повестей Сирано де Бержерака “Иной свет…”, Н. Носова “Незнайка на Луне” не так уж фантастичен. Таким образом, летательные аппараты из сказок, включая сказки Шехерезады “Тысяча и одна ночь”, из русских, славянских народных сказок [24] типа “Семь Симеонов” и “Летучий корабль” (см. одноимённый мультфильм), возможно, вполне реализуемы, если подобрать, как в сказке, особый материал, создающий подъёмную силу, о чём писал ещё Свифт, де Бержерак и Уэллс. Особенно интересен двигатель летучего корабля, полёт которого 24 июня 1709 г. (за 75 лет до полёта Монгольфьеров и за 200 лет до создания баллистической теории) наблюдала масса народу, что документально засвидетельствовано венской газетой. Этот летучий корабль “Passarola” построил известный бразильский инженер Барталамеу Лоуренсу де Гужмаона. По описанию корабль отличался от обычных аэростатов, а двигателем ему служили магниты и периодично укреплённые куски янтаря (способного электризоваться, заряжаться).

Конечно, тяга таких двигателей вряд ли велика, зато время действия не ограничено, и при длительных полётах двигатели малой тяги дают перевес по сравнению с ракетными [25]. Возможно, корабль “Passarola” и описан в рассказах, фильмах о бароне Мюнхгаузене и его полётах на Луну. Интересно, что в основе баек о Мюнхгаузене и его помощниках – русская сказка “Семь Симеонов”. Ведь исторический барон Мюнхгаузен долго служил в России, а в Германии поведал о своих приключениях [26]. По мотивам этих сказок снят и восточный фильм “Семь самураев”, и западный фильм “Великолепная семёрка” [2]. Да и в повести Н. Носова “Незнайка на Луне” видны мотивы той же сказки. Возможно, в сказке о семи Симеонах и Мюнхгаузене под сверхспособностями братьев-помощников образно описаны функции разных приборов космического корабля: дальнобойная связь “выстрелами” микрочастиц, регистратор этих частиц-“слухач”, “телескоп”, “холодильник” для “двигателя”, “заправщик и конвертер” – поглотитель топлива и трансформатор материи для двигателя, и т.д. По крайней мере, в рассказе Р. Шекли “Специалист” рассмотрена именно такая версия.

На околосветовых и сверхсветовых кораблях важно также обеспечить защиту корабля от микрометеоритов, межзвёздного газа и пыли, представляющих на таких скоростях серьёзную угрозу для корабля. Тут поможет технология защитного экрана, предложенного Мурзилкой в повести “Ябеда-Корябеда и её проделки”: для защиты от дождя он предлагал сделать фонтаны, струи которых сбивают капли дождя, окружая периметр непробиваемой стеной. А для защиты от космического дождя из микрометеоритов, пыли и атомов послужат потоки заряженных частиц. Для этих целей тоже подойдут ускорители и накопители заряженных частиц, но вынесенные наружу корабля. Потоки электронов и ядер, циркулирующие в вакууме вокруг космического корабля, создают своего рода защитный экран в виде тороидальной оболочки (с образующей в виде траектории частиц [27]). Они сбивают с пути корабля атомы газа, частицы пыли, микрометеориты и космический мусор, опасные и для околоземных кораблей, даже если речь идёт о ничтожной крупице краски, частице сажи [28].

Для этого вокруг космического корабля следует создать магнитное поле B, в котором частицы, вылетая из носовой части корабля, огибали б его по периметру, сбивая посторонние частицы, и, залетая в корму, вновь направлялись бы к носу корабля (рис. 7). Оценим плотность потока частиц, необходимую для отражения ударов микрометеоритов, пылинок диаметром d~1 мкм (типичный размер космической пыли). Скорость пылинки V~10 км/с, масса M~10^–15 кг, импульс p=MV. Чтобы сбить пылинку, нужно сообщить ей примерно такой же импульс p. Этот импульс сообщают удары электронов, концентрация которых n, масса m≈10^–30 кг, скорость v~10⁸ м/c. Сила, создаваемая ударами этих частиц в сечение пылинки S=πd²/4, составит F≈mnSv². Частица, за время пролёта Δt=L/V сквозь банч или пучок толщиной L=1 см, должна приобрести поперечный импульс p=FΔt. Отсюда необходимая концентрация частиц в пучке n=4MV²/mπd²v²L=10¹⁵ см^–3 – такие концентрации типичны для потоков частиц в вакуумной релятивистской, высокочастотной электронике, где энергии электронов достигают 0,5 МэВ, а токи I~10 кА (гиротроны, убитроны, лазеры на свободных электронах и т.д.). При увеличении скорости v частиц можно обойтись и меньшими концентрациями. Так, при лоренц-факторе γ~1000, n=4MV²/mπd²с²γ²L=10⁹ см^–3 – концентрация типичная для банчей в синхротронах, где в импульсе ~10⁹частиц [29]. С ростом скорости корабля до околосветовой будет нарастать скорость встречных частиц V. Т.е. придётся повышать скорость и концентрацию электронов. При таких высоких концентрациях и скоростях происходит уже испарение частиц потоком электронов, как при плазменной, электронной резке.

Поскольку при сбое пылинки часть электронов выбывает, их запас надо пополнять, скажем, за счёт вторичной эмиссии электронов из атомов, пыли в ходе их бомбардировки. Наиболее удобен корабль сферической формы, напоминающий монгольфьер или звездолёт из фильма “Автостопом по Галактике”, мультфильма “Пин-код” и повести Г. Уэллса “Первые люди на Луне”. Магнитное поле может иметь разную конфигурацию: тороидальную (частицы огибают корабль по криволинейным траекториям, рис. 7), полоидальную, как у Земли (траектории частиц навиваются по винтовым линиям вокруг магнитных линий B, образуя пояса типа радиационных поясов Ван Аллена, рис. 8), либо сложную. В первом случае витки с током проходят по меридианам сферического корабля, во втором – по параллелям (как в шаре, изготовленном Гильбертом для демонстрации магнетизма Земли [30]), а в третьем – поле создаётся лишь на изгибах корпуса. При тороидальной структуре токонесущие кабели или сверхпроводники должны наматываться так, чтобы с двух сторон магнитное поле в двух полушариях было направлено встречно. При запуске с носа корабля противоположно заряженных частиц (электронов и позитронов, положительных и отрицательных ионов), положительные заряды летят вдоль одного полушария, а отрицательные – вдоль другого (рис. 7). Незащищённым останется лишь узкий пограничный пояс меж ними. Его можно защитить, с помощью добавочных магнитов пуская частицы змейкой, перекрывающей возможные траектории налетающих частиц. Тогда пояса заряженных частиц напоминают теннисный мяч. Применение двух типов зарядов компенсирует отталкивание пучков и банчей из одноимённо заряженных частиц. Поэтому в идеале следует увеличить число колец, поясов из чередующихся разноимённо заряженных частиц. Применение защитного экрана из позитронов позволяет обойтись меньшей концентрацией частиц, поскольку аннигиляция позитронов с частицами пыли приводит к микровзрыву, распыляющему и отбрасывающему пыль, метеориты.

При дипольной структуре поля частицам не обязательно пролетать обратно к носовой части сквозь корабль – они могут сновать туда-обратно вдоль магнитных силовых линий, запертые в магнитной бутылке, подобно доброму джину ограждая корабль (рис. 8). Магнитное поле при этом защищает корабль и само по себе, ибо основная среда космоса – это плазма – заряженные частицы, ядра, ионы, электроны. Влетая в магнитное поле B, они отклоняются им или закручиваются, как частицы солнечного ветра в поле Земли, тем самым поле защищает корабль так же, как Землю. Такой защитный экран способен защитить корабль и от снарядов, от столкновений с другими кораблями и крупными метеоритами, если поток электронов испаряет их как при электронной, плазменной резке. Кроме того, пояс электронов рассеивает, отражает, как плазменное зеркало, падающее на корабль излучение, например лазерное, т.е. выполняет все функции защитного экрана как в фильме “Звёздные войны”, например у имперской боевой станции в форме шара. Коэффициент отражения плазменного зеркала толщиной L близок к единице при концентрации электронов n~1/(Lλr₀), как следует из формулы для длины переизлучения [19], где r₀≈3·10^–15 м – классический радиус электрона, λ~10^–6 м – длина волны падающего излучения. Отсюда n~10¹⁶ см^–3, т.е. того же порядка, что требуется для защиты от пыли и вполне достижимого. Такой корабль, светящийся от ионизации атомов газа и отражения света, если он имеет ещё и большой размер, будет восприниматься как звезда с конвективными ячейками [1], обладающая вдобавок магнитным полем.

Принцип плазменного зеркала позволяет сконструировать и лазерный меч из того же фильма. Для этого несколько лазерных лучей под острым углом фокусируют в одну точку, где образуется плазма, плазменное зеркало, от которого лазерные лучи отражаются, возвращаясь в резонатор (рис. 9). Такую горящую плазменную точку можно видеть в фокусе мощного фемтосекундного лазера. В воздухе, в зоне пересечения лазерных лучей образуется плазменный шнур, отражающий лазерные лучи и положительно заряженный, поскольку в плазме быстрые лёгкие электроны покидают область облучения, а положительные ионы не успевают. Поэтому горящие одноимённо заряженные “лезвия” лазерных мечей отталкиваются, отскакивают одно от другого. Известен ряд таких проектов лазерных мечей (в т.ч. у М. Галинского) и даже действующих прототипов, правда с питанием от проводов. Такие лазерные орудия пригодятся и для расчистки пути корабля от крупных метеоритов. Плазменными точками даже формируют подвижные объёмные изображения-голограммы в воздухе.

Плазменный экран (не путать с телеэкраном!) может выполнять и функции защитного противометеоритного купола [31], например у колоний на Марсе, Луне и спутниках других планет. Для этого центральный магнит следует окружить кольцом из периферийных магнитов, магнитное поле которых по эффекту магнитной пробки, отражает траектории заряженных частиц, образующих защитные полосы типа зубцов на крепостной башне (рис. 9). Такой купол может даже удерживать атмосферу внутри, поскольку электроны при столкновениях с молекулами воздуха, налетающими на границы купола, ионизуют и отталкивают их обратно, создавая постоянный ток газа (ионный ветер), мешающий приближению других атомов воздуха. Так воздух будет удерживаться под куполом, вдобавок ионизуясь. Так что купол выполнял бы ещё и функции люстры Чижевского, насыщая воздух ионами, что особенно важно во время лунной ночи, длящейся две недели. Как показал Чижевский [32], именно дефицит ионов часто вызывает угнетённое состояние у обитателей закрытых помещений, орбитальных станций и подземных бункеров. И напротив, свежий воздух, насыщенный ионами, например в горах или после грозы, бодрит, стимулирует жизнедеятельность.

Самое интересное, что защитный экран попутно выполнял бы функции двигателя, ведь при столкновениях электроны, отбрасывая назад потоки газа и пыли (рис. 7), придают кораблю импульс, направленный вперёд. Тороидальный плазменный вихрь вокруг корабля движет его, подобно колечку дыма в воздухе, вихревой трубке на поверхности воды или Солнца [1]. Хотя космическая среда крайне разрежена, на околосветовых скоростях её поток достаточен для создания тяги сферическим кораблём. Так что байки Мюнхгаузена, Сирано и анекдоты про сферического коня не так уж фантастичны. Возможно, такой двигатель сможет работать и в разреженной атмосфере, в её верхних слоях, поскольку при высоких скоростях электронов они, сталкиваясь с атомами, почти не меняют направлений движения. При столкновениях электронов с атомами возникает ионизация и свечение атмосферы. А в отсутствие столкновений потоки электронов образуют плазменное зеркало, отражающее все виды излучений. Не исключено, что случаи наблюдения зеркальной “поверхности” и свечения “летающих тарелок” в виде дисков, тороидов объясняются таким двигателем и экраном, непробиваемым для земных ракет, снарядов, запускавшихся по НЛО с земных истребителей и орудий ПВО. Пробить такой экран способен либо крупный объект с большой скоростью (таран), либо энергичное излучение, скажем от близкого ядерного взрыва, либо очередь из снарядов с очень высокой скоростью ~100 км/с из магнитокумулятивной пушки. Серия снарядов поэтапно выводит электроны из потока и пробивает электронный щит.

Таким образом, баллистическая теория не только открывает глаза на истинное устройство космоса, звёздных систем, но и позволяет строить космические двигатели для их достижения. Однако в настоящее время постройку таких межзвёздных кораблей и освоение галактических трасс всё время откладывают, подменяя истинные путешествия иллюзорными, виртуальными играми в киберпространстве, насаждая культ наслаждений и превращая Землю в своего рода “Остров дураков” из “Незнайки на Луне”, а людей – в баранов, домашних любимцев из одноимённой повести К. Булычёва. В итоге не только не развиваются новые технологии, но и сами люди незаметно превращаются в баранов, которыми легко манипулировать. Как верно отмечено в фильме “Трасса 60”, люди, освоив весь земной шар, стали деградировать, когда перестали двигаться к границе, барьеру неизведанного. Итак, освоение баллистических технологий позволит сделать магнитное поле из земного барьера – двигателем. А “магнитные” звёзды указали путь к его постройке, став компасом для звездолёта!

С. Семиков

Источники:

1. Семиков С.А. Солнечные циклоны // Инженер. 2011. №1-2.

2. Семиков С.А. Пульсары, барстеры и другие космические стрелки // Инженер. 2014. №3-4.

3. Пикельнер С.Б., Хохлова В.Л. Магнитные звёзды // УФН. 1972. Т. 107.

4. Белопольский А.А. Астрономические труды. М.: Гостехиздат, 1954.

5. Rudnitskij G.M. // Impact of Large-Scale Surv. Puls. Star Research ASP. 2000. V. 203. P. 384.

6. Струве О., Линдс Б., Пилланс Э. Элементарная астрономия. М.: Наука, 1967.

7. Devasia S. Ritz-type variable speed of light (VSL) cosmology // Physics Essays. 2014. №4.

8. Физика космоса. М.: Советская энциклопедия, 1986.

9. Семиков С.А. Загадки и жемчужины космического океана // Инженер. 2014. №10.

10. Семиков С.А. Звёздный паноптикум // Инженер. 2012. №5–6.