Τα μαγνητικά πεδία υπάρχουν παντού στο σύμπαν, από πλανήτες και άστρα μέχρι ολόκληρους γαλαξίες. Παρότι τα μικρής κλίμακας πεδία είναι συνήθως χαοτικά και τυρβώδη, τα μεγάλης κλίμακας εμφανίζονται εντυπωσιακά οργανωμένα. Για δεκαετίες οι επιστήμονες προσπαθούν να εξηγήσουν πώς από την αταξία προκύπτει τέτοια τάξη.
Ερευνητική ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες του University of Wisconsin–Madison προτείνει τώρα ένα κρίσιμο κομμάτι της λύσης.
Σε νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature, η ομάδα χρησιμοποίησε εξαιρετικά λεπτομερείς προσομοιώσεις για να μελετήσει ροές πλάσματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι μεγάλα μαγνητικά πεδία μπορούν να αναδυθούν όταν το τυρβώδες πλάσμα αναπτύσσει οργανωμένες ροές τύπου πίδακα. Η ανακάλυψη προσφέρει μια νέα εξήγηση για τον σχηματισμό κοσμικών μαγνητικών πεδίων και μπορεί να βελτιώσει την κατανόηση φαινομένων από τον σχηματισμό μαύρων τρυπών έως τον διαστημικό καιρό κοντά στη Γη.
«Τα μαγνητικά πεδία στο σύμπαν είναι μεγάλης κλίμακας και οργανωμένα, αλλά η κατανόησή μας για το πώς παράγονται είναι ότι προκύπτουν από κάποια μορφή τυρβώδους κίνησης», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Bindesh Tripathi, πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής Φυσικής στο UW–Madison και νυν μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Columbia University. «Αφού η τύρβη είναι γνωστό ότι δρα καταστροφικά, παραμένει το ερώτημα: πώς δημιουργεί ένα δομημένο, μεγάλης κλίμακας πεδίο;»
Πριν επικεντρωθεί στα τρισδιάστατα (3D) μαγνητικά πεδία, ο Tripathi μελετούσε ροές ρευστών και δισδιάστατα (2D) μαγνητικά πεδία. Παρατηρώντας εικόνες και βίντεο 3D μαγνητικής τύρβης, πρόσεξε ότι οι μεγάλες μαγνητικές δομές έμοιαζαν με τα σχήματα των μεγάλων ροών.
Η απευθείας εφαρμογή της ρευστοδυναμικής στα μαγνητικά πεδία δεν ήταν απλή. Τα προβλήματα ροής ρευστών συχνά απλουστεύονται σε δύο διαστάσεις, αλλά η γένεση μαγνητικών πεδίων απαιτεί πλήρη 3D επίλυση, με πολύ πιο απαιτητικούς υπολογισμούς.
Για να αντιμετωπίσουν το ζήτημα, οι ερευνητές τροποποίησαν δύο βασικά στοιχεία προηγούμενων μελετών.
Πρώτον, εισήγαγαν στις προσομοιώσεις έναν σταθερά ανανεούμενο βαθμό ταχύτητας. Βαθμός ταχύτητας υπάρχει όταν διαφορετικά τμήματα ενός συστήματος κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες. Για παράδειγμα, ένας ποδηλάτης που χτυπά απότομα σε κράσπεδο βιώνει έναν οξύ βαθμό ταχύτητας όταν το ποδήλατο σταματά αλλά η ορμή του σώματός του συνεχίζει. Παρόμοια φαινόμενα συμβαίνουν σε όλο το σύμπαν, από το εσωτερικό του Ήλιου μέχρι τις συγκρούσεις άστρων νετρονίων. Η ομάδα υπέθεσε ότι αυτοί οι βαθμοί ταχύτητας μπορεί να παίζουν κεντρικό ρόλο στη διαμόρφωση μαγνητικών πεδίων.
Το δεύτερο βήμα ήταν η υπολογιστική ισχύς. Οι ερευνητές εκτέλεσαν ίσως την πιο λεπτομερή μέχρι σήμερα προσομοίωση της αλληλεπίδρασης μαγνητικών πεδίων με ασταθείς βαθμούς ταχύτητας. Το μοντέλο χρησιμοποίησε 137 δισεκατομμύρια σημεία πλέγματος σε τρισδιάστατο χώρο.
Συνολικά πραγματοποιήθηκαν περίπου 90 προσομοιώσεις, που παρήγαγαν 0,25 πεταμπάιτ δεδομένων και απορρόφησαν σχεδόν 100 εκατομμύρια ώρες CPU στον υπερυπολογιστή Anvil του Purdue University.
«Ξεκινάμε τις προσομοιώσεις με μια ροή που έχει βαθμό ταχύτητας, μετά προσθέτουμε μικροσκοπικές διαταραχές, σαν να μετακινούμε απειροελάχιστα ένα σωματίδιο ρευστού. Αφήνουμε τη διαταραχή να διαδοθεί και να αναπτυχθεί στο σύστημα και στη συνέχεια αναλύουμε τα δεδομένα στον χρόνο», λέει ο Tripathi. «Αρχικά, αυτές οι διαταραχές οδηγούν σε τυρβώδεις ροές και μαγνητικά πεδία σε μικρής κλίμακας δομές. Με τον χρόνο, όμως, αναδύονται σε μεγαλύτερες, οργανωμένες δομές.»
Όταν οι προσομοιώσεις επαναλήφθηκαν χωρίς τη διατήρηση του μεγάλης κλίμακας βαθμού ταχύτητας, οι οργανωμένες μαγνητικές δομές δεν σχηματίστηκαν. Το σύστημα παρέμεινε χαοτικό και ατάκτως διατεταγμένο.
«Αυτό είναι το βασικό κλειδί: να υπάρχει σταθερός, μεγάλης κλίμακας βαθμός στην ταχύτητα», τονίζει.
Οι μαγνητικοί δυναμό, οι διεργασίες που παράγουν μαγνητικά πεδία, μελετώνται περίπου 70 χρόνια. Ωστόσο, τα περισσότερα θεωρητικά μοντέλα δυσκολεύονταν να αποδώσουν τις μεγάλες, οργανωμένες δομές που παρατηρούν οι αστρονόμοι.
Όπως σημειώνει ο Paul Terry, καθηγητής Φυσικής στο UW–Madison και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης: «Η γένεση μαγνητικών πεδίων μέσω δυναμό έχει μελετηθεί εξονυχιστικά επί 70 χρόνια, με απογοητευτικό αποτέλεσμα ότι τα παραγόμενα πεδία σχεδόν πάντα καταλήγουν σε μικρές κλίμακες και έντονη αταξία, σε αντίθεση με τις παρατηρήσεις. Αυτή η δουλειά, επομένως, ενδέχεται να επιλύει ένα μακροχρόνιο ζήτημα.»
Αν και η νέα θεωρία δεν μπορεί να ελεγχθεί άμεσα σε απομακρυσμένα κοσμικά περιβάλλοντα, προγενέστερα εργαστηριακά πειράματα φαίνεται να τη στηρίζουν. Το 2012, ερευνητές στο Wisconsin Plasma Physics Laboratory παρατήρησαν συμπεριφορές μαγνητικών πεδίων που δεν εξηγούνταν από τις τότε θεωρίες. Το νέο μοντέλο του Tripathi και των συνεργατών του ταιριάζει καλύτερα με εκείνα τα αινιγματικά αποτελέσματα.
Οι επιπτώσεις εκτείνονται σε πολλά πεδία της αστροφυσικής.
«Αυτή η δουλειά έχει τη δυνατότητα να εξηγήσει τη μαγνητική δυναμική που είναι σχετική, για παράδειγμα, με συγκρούσεις άστρων νετρονίων και τον σχηματισμό μαύρων τρυπών, με άμεσες εφαρμογές στη πολυμηνυματική αστρονομία», λέει ο Tripathi. «Μπορεί επίσης να βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση των μαγνητικών πεδίων των άστρων και στην πρόβλεψη εκτοξεύσεων αερίων από τον Ήλιο προς τη Γη.»
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το National Science Foundation (2409206) και το U.S. Department of Energy (DE-SC0022257) μέσω του DOE/NSF Partnership in Basic Plasma Science and Engineering. Ο υπερυπολογιστής Anvil του Purdue University χρησιμοποιήθηκε μέσω της κατανομής TG-PHY130027 από το πρόγραμμα Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services & Support (ACCESS), με υποστήριξη από το National Science Foundation (2138259, 2138286, 2138307, 2137603 και 2138296).
Υλικό παρέχεται από το University of Wisconsin–Madison. Σημείωση: Το περιεχόμενο μπορεί να έχει υποστεί επεξεργασία για λόγους ύφους και έκτασης.
