Τα μαγνητικά πεδία βρίσκονται παντού στο σύμπαν, από πλανήτες και αστέρια μέχρι ολόκληρους γαλαξίες. Αυτές οι αόρατες δυνάμεις επηρεάζουν σημαντικά κοσμικά γεγονότα και διεργασίες, συμπεριλαμβανομένων των ηλιακών καταιγίδων, της κίνησης των σωματιδίων υψηλής ενέργειας, ακόμη και του σχηματισμού γαλαξιών. Ενώ τα μικρά μαγνητικά πεδία είναι συχνά χαοτικά και ταραχώδη, πολλές μεγάλες μαγνητικές δομές είναι απροσδόκητα οργανωμένες. Για δεκαετίες, οι επιστήμονες αγωνίζονται να εξηγήσουν πώς το χάος στο διάστημα μπορεί να δημιουργήσει τάξη σε τόσο μεγάλη κλίμακα.
Τώρα, ερευνητές με επικεφαλής επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison πιστεύουν ότι έχουν αποκαλύψει το κομμάτι του παζλ που λείπει.
Μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο η φύσηΗ ομάδα χρησιμοποίησε εξαιρετικά λεπτομερείς προσομοιώσεις υπολογιστή για να μελετήσει τη ροή του πλάσματος. Τα αποτελέσματά τους υποδηλώνουν ότι μεγάλα μαγνητικά πεδία μπορούν να αναδυθούν όταν το τυρβώδες πλάσμα αναπτύσσει οργανωμένες ροές που μοιάζουν με πίδακες. Η ανακάλυψη εισάγει μια νέα εξήγηση για το πώς σχηματίζονται τα κοσμικά μαγνητικά πεδία και θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τα πάντα, από το σχηματισμό μαύρων οπών έως τον διαστημικό καιρό κοντά στη Γη.
“Τα μαγνητικά πεδία είναι μεγάλης κλίμακας και τακτοποιημένα σε όλο το σύμπαν, αλλά η κατανόησή μας για το πώς σχηματίζονται αυτά τα πεδία είναι ότι προέρχονται από ένα είδος τυρβώδους κίνησης”, δήλωσε ο επικεφαλής της μελέτης Veesh Tripathi, πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής φυσικής στο UW-Madison και σημερινός μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Columbia. «Δεδομένου ότι οι αναταράξεις είναι γνωστό ότι είναι καταστροφικός παράγοντας, το ερώτημα παραμένει, πώς δημιουργεί ένα εποικοδομητικό πεδίο μεγάλης κλίμακας;»
Αναζήτηση τάξης σε κοσμικές αναταράξεις
Πριν επικεντρωθεί στα τρισδιάστατα (3D) μαγνητικά πεδία, η Tripathi μελέτησε συστήματα που περιλαμβάνουν ροή ρευστού και δισδιάστατα (2D) μαγνητικά πεδία. Εξετάζοντας εικόνες και βίντεο τρισδιάστατων μαγνητικών αναταράξεων, παρατήρησε ότι οι μαγνητικές δομές μεγάλης κλίμακας έμοιαζαν με μοτίβα ροής μεγάλης κλίμακας.
Ωστόσο, η εφαρμογή της δυναμικής των ρευστών απευθείας στα μαγνητικά πεδία δεν ήταν απλή. Τα προβλήματα ροής ρευστού μπορούν συχνά να απλοποιηθούν σε δύο διαστάσεις, αλλά η δημιουργία μαγνητικού πεδίου πρέπει να επιλυθεί σε πλήρη τρισδιάστατο χώρο, γεγονός που καθιστά τους υπολογισμούς πιο δύσκολους.
Για να αντιμετωπίσουν την πρόκληση, οι ερευνητές τροποποίησαν δύο σημαντικές πτυχές της προηγούμενης έρευνας.
Το πρώτο περιλαμβάνει την προσθήκη μιας συνεχούς κλίσης ταχύτητας ανανέωσης στις προσομοιώσεις. Μια κλίση ταχύτητας εμφανίζεται όταν διαφορετικά μέρη ενός συστήματος κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες. Για παράδειγμα, ένας ποδηλάτης που χτυπά ξαφνικά ένα κράσπεδο βιώνει μια απότομη κλίση ταχύτητας όταν το ποδήλατο σταματά αλλά ο αναβάτης επιταχύνει προς τα εμπρός. Παρόμοια φαινόμενα παρατηρούνται σε όλο το σύμπαν, συμπεριλαμβανομένου του εσωτερικού του Ήλιου και κατά τη διάρκεια συγχωνεύσεων άστρων νετρονίων. Η ομάδα υποψιάστηκε ότι αυτές οι κλίσεις μπορεί να παίξουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση των μαγνητικών πεδίων.
Τεράστιες προσομοιώσεις υπερυπολογιστών αποκαλύπτουν ένα μοτίβο
Το δεύτερο σημαντικό βήμα ήταν η υπολογιστική ισχύς. Οι ερευνητές πραγματοποίησαν αυτή που μπορεί να είναι η πιο λεπτομερής προσομοίωση μαγνητικών πεδίων που αλληλεπιδρούν με ασταθείς διαβαθμίσεις ταχύτητας. Το μοντέλο τους χρησιμοποίησε 137 δισεκατομμύρια σημεία πλέγματος στον τρισδιάστατο χώρο.
Συνολικά, η ομάδα πραγματοποίησε περίπου 90 προσομοιώσεις, δημιουργώντας 0,25 petabytes δεδομένων και χρησιμοποιώντας σχεδόν 100 εκατομμύρια ώρες CPU στον υπερυπολογιστή Anvil του Πανεπιστημίου Purdue.
“Ξεκινάμε τις προσομοιώσεις μας με μια ροή που έχει μια κλίση ταχύτητας, μετά προσθέτουμε κάποια μικρή διαταραχή, όπως ένα ρευστό σωματίδιο που κινείται στο άπειρο, αφήνουμε αυτή τη διαταραχή να διαδοθεί στο σύστημα και να αναπτυχθεί και μετά αναλύουμε τα δεδομένα με την πάροδο του χρόνου”, λέει ο Tripathi. «Αρχικά, αυτές οι διαταραχές οδηγούν σε τυρβώδεις ροές και μαγνητικά πεδία σε δομές μικρής κλίμακας, στη συνέχεια, με την πάροδο του χρόνου, αναδύονται σε μεγαλύτερες, διατεταγμένες δομές».
Όταν οι ερευνητές επανέλαβαν τις προσομοιώσεις χωρίς να διατηρούν μεγάλες κλίσεις ταχύτητας, οργανωμένες μαγνητικές δομές δεν σχηματίστηκαν ποτέ. Αντίθετα, το σύστημα ήταν χαοτικό και χαοτικό.
«Έτσι, αυτό είναι πραγματικά το κλειδί: να έχουμε μια σταθερή, μεγάλης κλίμακας κλίση στην ταχύτητα», τονίζει.
Επίλυση του προβλήματος του επίμονου μαγνητικού πεδίου
Οι επιστήμονες έχουν μελετήσει τα μαγνητικά δυναμό, τους μηχανισμούς που δημιουργούν μαγνητικά πεδία, για σχεδόν 70 χρόνια. Ωστόσο, τα περισσότερα θεωρητικά μοντέλα έχουν δυσκολευτεί να αναπαράγουν τις μεγάλες, διατεταγμένες μαγνητικές δομές που οι αστρονόμοι παρατηρούν πραγματικά στο διάστημα.
Ο Paul Terry, καθηγητής φυσικής στο UW-Madison και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης, πρόσθεσε: “Η δημιουργία μαγνητικών πεδίων μέσω δυναμό έχει μελετηθεί εκτενώς εδώ και 70 χρόνια, με το απογοητευτικό αποτέλεσμα ότι τα παραγόμενα πεδία καταλήγουν σχεδόν πάντα να είναι μικρά και εξαιρετικά χαοτικά, αντίθετα με τις παρατηρήσεις. Αυτή η εργασία, επομένως, είναι ένα δυνητικό πρόβλημα για την επίλυση.”
Αν και η νέα θεωρία δεν μπορεί να δοκιμαστεί άμεσα στο μακρινό κοσμικό περιβάλλον, προηγούμενα εργαστηριακά πειράματα φαίνεται να υποστηρίζουν τα ευρήματα. Το 2012, ερευνητές στο Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος του Ουισκόνσιν παρατήρησαν συμπεριφορά μαγνητικού πεδίου που οι υπάρχουσες θεωρίες δεν μπορούσαν να εξηγήσουν. Το νέο μοντέλο που αναπτύχθηκε από τον Tripathi και τους συναδέλφους του ευθυγραμμίζεται περισσότερο με αυτά τα αινιγματικά πειραματικά αποτελέσματα.
Επιδράσεις Μαύρων Τρυπών, Αστέρων Νετρονίων και Διαστημικού Καιρού
Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις σε όλη την αστροφυσική.
«Αυτή η εργασία έχει τη δυνατότητα να αποσαφηνίσει τη μαγνητοδυναμική που σχετίζεται, για παράδειγμα, με τις συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων και το σχηματισμό μαύρων τρυπών, με άμεση εφαρμογή στην αστρονομία πολλαπλών αγγελιοφόρων», λέει ο Tripathi. «Αυτό θα μπορούσε να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα τα αστρικά μαγνητικά πεδία και να προβλέψουμε τις εκπομπές αερίων από τον Ήλιο προς τη Γη».
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (2409206) και το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DE-SC0022257) μέσω της Συνεργασίας DOE/NSF στη Βασική Επιστήμη και Μηχανική Πλάσματος. Ο υπερυπολογιστής Anvil στο Πανεπιστήμιο Purdue χρησιμοποιήθηκε μέσω της επιχορήγησης TG-PHY130027 από το πρόγραμμα Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services and Support (ACCESS), που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (2138259, 2138286, 21238259, 21238259, 211383, 211373). υποστηρίζεται
