Суперкомпютърни симулации разкриват тайната на космическите магнитни полета

Учени от Университета на Уисконсин в Мадисън вероятно са разкрили механизма на възникване на мащабните магнитни полета във Вселената. Резултатите от тяхното изследване, публикувани в списанието Nature се основават на изключително подробни суперкомпютърни симулации.

Магнитните полета са навсякъде в космоса – от планети и звезди до цели галактики. Въпреки това, докато малките полета са хаотични, големите структури са удивително подредени. Десетилетия наред учените не можеха да обяснят как хаосът поражда такъв ред. В новото проучване екипът, ръководен от Биндеш Трипати (понастоящем постдокторант в Колумбийския университет) използва симулации на плазмени потоци. Резултатите показаха, че големи магнитни полета могат да възникнат, когато турбулентната плазма формира организирани струйни течения.

„Магнитните полета в космоса са мащабни и подредени, но нашите представи за това как се генерират сочат, че те произтичат от турбулентно движение. Като се има предвид, че турбулентността е известна като разрушителен фактор, остава въпросът: как тя създава конструктивно мащабно поле?“

обяснява Трипати

Ключовата разлика спрямо предишните изследвания се състои в две нововъведения. На първо място, учените добавиха в симулациите постоянно актуализиран градиент на скоростта – разликата в скоростта на движение на различните части на системата. Такива градиенти възникват например във вътрешността на Слънцето или при сливането на неутронни звезди. Второ, изследователите проведоха може би най-подробната към днешна дата симулация, използвайки 137 милиарда точки на мрежата в триизмерното пространство. Общо бяха изпълнени около 90 симулации, които генерираха 0,25 петабайта данни и изискваха почти 100 милиона часа процесорно време на суперкомпютъра Anvil в Университета в Пердю. Когато симулациите се повтаряха без поддържане на мащабен градиент на скоростта, организирани магнитни структури не се формираха и системата оставаше хаотична.

„Така че това наистина е основният ключ: наличието на устойчив мащабен градиент на скоростта.“

подчертава Трипати

Професорът по физика в Университета на Уисконсин-Медисън и старши автор на изследването Пол Тери отбелязва, че работата потенциално решава дългогодишен проблем:

„Генерирането на магнитно поле с помощта на динамо се изучаваше интензивно в продължение на 70 години, с разочароващия резултат, че генерираните полета почти винаги се оказват малки по мащаб и силно хаотични, за разлика от наблюденията. Тази работа, по този начин, потенциално решава дългогодишен проблем“.

Въпреки че новата теория не може да бъде проверена директно в далечни космически условия, по-ранни лабораторни експерименти изглежда потвърждават заключенията. През 2012 година изследователи от Лабораторията по плазмена физика в Уисконсин наблюдаваха поведение на магнитното поле, което съществуващите теории не можеха да обяснят. Новият модел на Трипати и колегите му се съгласува по-добре с тези загадъчни резултати.

Откритието може да има важно значение за разбирането на образуването на черни дупки, сливането на неутронни звезди и дори прогнозирането на космическото време, включително изхвърлянията на газ от Слънцето към Земята.