Физики из Университета Висконсин–Мэдисон разрешили многолетнюю загадку астрофизики, определив механизм, объясняющий, как из хаоса космической турбулентности возникают упорядоченные крупномасштабные магнитные поля. Результаты, опубликованные 21 января в журнале Nature, имеют значение для понимания всего — от активности Солнца до слияния нейтронных звёзд.
Прорыв после семидесяти лет научных поисков
Магнитные поля пронизывают Вселенную, влияя на солнечные ветры, перенос высокоэнергетических частиц и формирование галактик. В то время как мелкомасштабные магнитные поля обычно турбулентны и хаотичны, крупномасштабные космические поля демонстрируют удивительную упорядоченность — явление, которое не поддавалось объяснению на протяжении 70 лет.
«Генерация магнитного поля посредством динамо-эффекта изучалась в течение 70 лет, и разочаровывающий результат заключался в том, что создаваемые поля почти всегда оказывались мелкомасштабными и крайне неупорядоченными, в отличие от наблюдаемых», — сказал Пол Терри, профессор физики в Университете Висконсин-Мэдисон и старший автор исследования. «Таким образом, эта работа потенциально решает давнюю проблему».
Исследовательская группа под руководством Биндеша Трипатхи, бывшего аспиранта по физике в Университете Висконсин-Мэдисон, а ныне постдокторанта в Колумбийском университете, подошла к проблеме с двумя ключевыми инновациями. Во-первых, они включили постоянно пополняемый градиент скорости — явление, возникающее, когда различные области жидкости движутся с разными скоростями, например, внутри слоев Солнца или при слиянии нейтронных звезд. Во-вторых, они провели, возможно, самую сложную симуляцию на сегодняшний день: 137 миллиардов точек сетки в трехмерном пространстве в примерно 90 симуляциях, сгенерировав 0,25 петабайта данных и израсходовав почти 100 миллионов процессорных часов на суперкомпьютере Anvil в Университете Пердью.
Критическая роль устойчивых градиентов скорости
«Учитывая, что турбулентность известна как разрушительный фактор, остается вопрос: как она создает конструктивное крупномасштабное поле?» — сказал Трипати. Ответ заключается в поддержании устойчивого градиента скорости.
Когда моделирование начиналось с малых возмущений и устойчивого градиента скорости, команда наблюдала, как турбулентные потоки сначала порождали мелкомасштабные хаотичные магнитные структуры, которые в конечном итоге организовывались в крупномасштабные упорядоченные поля. Когда градиенту скорости позволяли затухать, возникали только хаотичные паттерны. «Так что это и есть главный ключ: необходимо иметь устойчивый крупномасштабный градиент скорости», — подчеркнул Трипати.
Лабораторная проверка и космические приложения
Хотя проверить теорию в далёких уголках Вселенной не представляется возможным, лабораторные данные подтверждают полученные результаты. В 2012 году исследователи из Висконсинской лаборатории физики плазмы получили экспериментальные данные о генерации магнитного поля, которые противоречили существующим моделям. Новая теория, разработанная Трипатхи и коллегами, гораздо лучше согласуется с этими экспериментальными данными.
«Эта работа может объяснить магнитную динамику, важную, например, при слияниях нейтронных звёзд и формировании чёрных дыр, с прямым применением в мультимессенджерной астрономии, — отметил Трипатхи. — Она также может помочь лучше понять магнитные поля звёзд и предсказывать выбросы газа от Солнца к Земле».
Комментариев нет:
Отправить комментарий