Таємниця космічного магнетизму: як хаос народжує порядок
Магнітні поля пронизують увесь Всесвіт: від планет і зір до цілих галактик. Ці невидимі сили керують наймасштабнішими космічними процесами, включаючи сонячні шторми, рух частинок високих енергій та формування великих космічних структур. Хоча локальні магнітні поля часто є хаотичними й турбулентними, великі магнітні структури демонструють дивовижну впорядкованість. Десятиліттями вчені намагалися пояснити, як космічний безлад може породжувати масштабний порядок.
Тепер команда дослідників під керівництвом учених з Університету Вісконсіна в Медісоні, схоже, знайшла відсутній елемент цього пазла. У новому дослідженні, опублікованому в науковому журналі Nature, автори використали надзвичайно деталізовані комп’ютерні симуляції плазмових потоків. Результати показують, що гігантські впорядковані магнітні поля виникають тоді, коли в турбулентній плазмі розвиваються структуровані струменеві потоки. Це відкриття пропонує нове пояснення еволюції магнітних полів і допоможе краще зрозуміти природу чорних дір, злиття нейтронних зірок та космічну погоду поблизу Землі.
«Магнітні поля в космосі є масштабними та впорядкованими, проте, згідно з сучасними уявленнями, вони генеруються саме турбулентним рухом, — зазначає провідний автор дослідження Біндеш Тріпаті, колишній аспірант-фізик Університету Вісконсіна в Медісоні, а нині постдок у Колумбійському університеті. — Враховуючи, що турбулентність відома своєю деструктивною дією, постає питання: як саме вона здатна створювати конструктивне, великомасштабне поле?»
Пошук закономірностей у космічній турбулентності
Перед тим як зосередитися на тривимірних 3D магнітних полях, Тріпаті вивчав двовимірні 2D магнітні поля та гідродинамічні системи. Аналізуючи цифрові візуалізації 3D-турбулентності, він помітив важливу закономірність: масштабні магнітні структури за своєю геометрією дуже нагадували форми великомасштабних потоків речовини.
Однак пряме перенесення законів гідродинаміки на магнітні поля виявилося надзвичайно складним завданням. Якщо задачі про рух рідин часто можна спростити до двох вимірів, то генерацію магнітного поля необхідно розв'язувати у повному тривимірному просторі, що колосально ускладнює математичні розрахунки. Щоб упоратися з цим викликом, дослідники змінили два ключові аспекти порівняно з попередніми науковими роботами.
По-перше, у симуляції додали постійно оновлюваний градієнт швидкості (velocity gradient). Градієнт швидкості виникає, коли різні частини системи рухаються з різною швидкістю. Наприклад, коли велосипедист раптово врізається в бордюр, виникає різкий градієнт швидкості: велосипед зупиняється, але імпульс тіла штовхає водія вперед. Подібні ефекти повсюдні у Всесвіті — вони відбуваються всередині Сонця та під час злиття нейтронних зірок. Науковці припустили, що саме ці градієнти відіграють вирішальну роль у структуруванні магнітних полів.
100 мільйонів годин розрахунків: суперкомп'ютер знаходить систему
По-друге, автори задіяли безпрецедентну обчислювальну потужність. Дослідники провели найдетальніше в історії симуляційне моделювання взаємодії магнітних полів із нестабільними градієнтами швидкості. Їхня цифрова модель використовувала 137 мільярдів сіткових точок у тривимірному просторі.
Загалом команда виконала близько 90 масштабних симуляцій, що згенерували понад 0.25 петабайта даних і поглинули майже 100 мільйонів процесорних годин на суперкомп’ютері Anvil в Університеті Пердью.
«Ми починаємо наші симуляції з потоку, що має певний градієнт швидкості, а потім додаємо крихітні збурення — наприклад, нескінченно мало зміщуємо одну частинку рідини чи плазми. Далі ми дозволяємо цьому збуренню поширюватися по системі й рости, після чого аналізуємо дані у часі, — розповідає Тріпаті. — Спочатку ці збурення призводять до хаотичних турбулентних потоків і магнітних полів у дрібних структурах. Проте з часом вони еволюціонують і трансформуються у великі, суворо впорядковані структури».
Коли дослідники повторили симуляції, але прибрали постійний великомасштабний градієнт швидкості, впорядковані магнітні структури так і не з'явилися. Натомість система залишалася повністю хаотичною та дезорганізованою.
«Отже, це і є головний ключ: мати стабільний, великомасштабний градієнт швидкості», — наголошує вчений.
Вирішення 70-річної загадки динамо-ефекту
Вчені досліджують магнітні динамо — процеси, що генерують магнітні поля самоіндукцією — вже близько 70 років. Проте більшість теоретичних моделей досі безсило пасували перед необхідністю відтворити ті гігантські, впорядковані магнітні структури, які астрономи реально спостерігають у космосі за допомогою телескопів.
Професор фізики з Університету Вісконсіна в Медісоні та старший автор дослідження Пол Террі додає:
«Генерація магнітного поля за допомогою динамо-ефекту інтенсивно вивчалася протягом семи десятиліть. Проте результати розрахунків зазвичай розчаровували: згенеровані поля майже завжди виявлялися дрібномасштабними та вкрай дезорганізованими, що суперечило реальним астрономічним спостереженням. Ця робота потенційно вирішує цю давню проблему астрофізики».
Хоча нову теорію наразі неможливо протестувати безпосередньо у віддалених космічних середовищах, попередні лабораторні експерименти на Землі повністю підтверджують отримані висновки. Ще у 2012 році дослідники з Вісконсинської лабораторії фізики плазми (Wisconsin Plasma Physics Laboratory) помітили таку поведінку магнітного поля, яку тогочасні теорії не могли пояснити. Нова модель, розроблена Тріпаті та його колегами, ідеально узгоджується з тими загадковими експериментальними даними.
Нові горизонти для вивчення чорних дір та космічної погоди
Нове відкриття має фундаментальне значення для багатьох галузей сучасної астрофізики та може переписати наше розуміння еволюції зірок і екстремальних об'єктів.
«Ця праця здатна детально пояснити магнітну динаміку, яка керує, наприклад, злиттям нейтронних зірок та утворенням чорних дір, що має пряме застосування у багатоканальній астрономії (multimessenger astronomy), — підсумовує Тріпаті. — Крім того, це допоможе краще зрозуміти зоряні магнітні поля та з високою точністю прогнозувати небезпечні викиди плазми та газу з корони Сонця в бік Землі, захищаючи нашу супутникову інфраструктуру».