Учёные раскрыли механизм формирования крупномасштабных магнитных полей во Вселенной

Все небесные тела — планеты, звёзды и даже целые галактики — генерируют магнитные поля, которые влияют на такие космические процессы, как солнечный ветер, перенос высокоэнергетических частиц и формирование галактик. Мелкомасштабные поля обычно турбулентны и хаотичны, тогда как крупномасштабные — упорядочены. Учёные десятилетиями безуспешно пытались объяснить этот парадокс.

В статье, опубликованной 21 января в журнале Nature, команда учёных из Университета Висконсин-Мэдисон представила результаты сложных численных моделирований потоков плазмы. Эти симуляции показали, что, несмотря на развитие турбулентности, в системе также формируются упорядоченные потоки из-за возникновения крупномасштабных струй. Исследователи идентифицировали новый механизм генерации магнитных полей, который может иметь широкое применение — от прогнозирования космической погоды до мультимессенджерной астрофизики.

Магнитные поля во Вселенной крупномасштабны и упорядочены, но наше понимание их генерации сводится к тому, что они возникают из какого-то турбулентного движения. Учитывая, что турбулентность известна как разрушительный агент, остаётся вопрос: как она создаёт конструктивное, крупномасштабное поле?

Ведущий автор исследования Биндеш Трипати, бывший аспирант по физике, а ныне постдок в Колумбийском университете, заметил сходство в формах крупномасштабных потоков и структур магнитного поля. Однако задача оказалась сложнее, чем применение гидродинамической теории: магнитное поле необходимо рассматривать в трёх измерениях.

Трипати и его коллеги подошли к проблеме с двумя ключевыми отличиями от предыдущих исследований. Во-первых, они включили в модель постоянно пополняемый градиент скорости — разницу в скорости между соседними слоями жидкости или плазмы, который повсеместно существует во Вселенной (например, в разных слоях Солнца). Во-вторых, они провели, возможно, самую сложную на сегодня симуляцию магнитных полей в присутствии нестабильного градиента скорости, использовав 137 миллиардов точек сетки в 3D-пространстве. Всего было выполнено около 90 симуляций, сгенерировавших 0,25 петабайта данных и потребовавших почти 100 миллионов CPU-часов на суперкомпьютере Anvil.

Мы начинаем симуляции с потока, имеющего градиент скорости, добавляем крошечные возмущения и наблюдаем, как они распространяются и растут. Сначала эти возмущения приводят к турбулентным потокам и мелкомасштабным магнитным полям, а со временем они эволюционируют в крупные, упорядоченные структуры.

Когда Трипати запустил те же симуляции, но с затухающим со временем градиентом скорости, в результате возникали только хаотичные мелкомасштабные паттерны.

Так что это действительно главный ключ: наличие устойчивого, крупномасштабного градиента скорости,

Старший автор работы, профессор физики Пол Терри, отметил, что это исследование потенциально решает давнюю проблему, так как предыдущие модели почти всегда генерировали мелкомасштабные и неупорядоченные поля, что противоречит наблюдениям.

Хотя теорию нельзя проверить в далёких уголках Вселенной, лабораторный эксперимент 2012 года в Лаборатории физики плазмы Висконсина подтверждает выводы команды. Данные того эксперимента не соответствовали старым моделям, но хорошо согласуются с новой теорией.

По словам Трипати, эта работа может объяснить магнитную динамику при слиянии нейтронных звёзд и образовании чёрных дыр, помочь лучше понять магнитные поля звёзд и точнее предсказывать выбросы газа с Солнца в сторону Земли.