الكون بدون أسلاك: كشف العلماء كيف يمكن أن يظهر المجال المغناطيسي "من لا شيء"

جميع الأجسام الفيزيائية الفلكية التي يلاحظها الناس محاطة بمجالات مغناطيسية. وليس فقط في المنطقة المحيطة

النجوم والكواكب، ولكن أيضًا في الفضاء السحيق بينهماالمجرات والمجموعات العنقودية. نعم، هذه المجالات ضعيفة جدًا، وعادةً ما تكون أضعف بكثير من مغناطيس الثلاجة. ومع ذلك، فإن أهميتها الديناميكية لها تأثير عميق على حياة الكون. وعلى الرغم من عقود من البحث، فإن أصل هذه المجالات المغناطيسية الكونية لا يزال أحد أعمق الألغاز في علم الكون.

المجالات المغناطيسية في كل مكان

المجالات المغناطيسية الطبيعية موجودة في كل مكانفي الكون. تم اكتشافها لأول مرة على الأرض منذ آلاف السنين بسبب تفاعلها مع المعادن الممغنطة. لقد تم استخدامها للملاحة قبل وقت طويل من فهم الناس لطبيعتها أو أصلها. تم اكتشاف المغناطيسية في الشمس في بداية القرن العشرين بسبب تأثيرها على طيف الضوء المنبعث من النجم. ومنذ ذلك الحين، وباستخدام تلسكوبات أكثر قوة لمراقبة الفضاء السحيق، اكتشف العلماء أن هذه الحقول موجودة في كل مكان.

وعلى الرغم من أن العلماء قد تعلموا منذ فترة طويلةفي تصنيع واستخدام المغناطيس الدائم والمغناطيس الكهربائي، ظل الأصل الطبيعي لهذه المجالات في الكون لغزا. وفي دراسة حديثة، كشف العلماء جزءًا من هذا اللغز، لكن العديد من جوانب القضية لا تزال قيد المناقشة.

وفي الدراسات السابقة، فهم العلماء كيفيمكن أن يؤدي الاضطراب إلى تقوية المجالات المغناطيسية الموجودة مسبقًا من خلال ما يسمى بعملية الدينامو، لكن هذا الاكتشاف أثار المزيد من الأسئلة. إذا كان الدينامو المضطرب يمكنه فقط تقوية المجالات المغناطيسية الموجودة، فمن أين أتى المجال المغناطيسي الأصلي؟

كجزء من العمل الجديد ، أظهر العلماء الرئيسيالعمليات التي تولد حقلاً من حالة غير ممغنطة تمامًا إلى النقطة التي يكون فيها قويًا بدرجة كافية لتضخيمه آلية الدينامو إلى مقادير يمكن ملاحظتها.

تأثير دينامو والكون بدون أسلاك

لقد فكر العلماء في كيفية الإنشاءالمجالات الكهربائية والمغناطيسية في المختبر. عندما تتحرك الموصلات مثل الأسلاك النحاسية من خلالها، يتم إنشاء مجالات كهربائية. يمكنهم بعد ذلك التحكم في التيارات الكهربائية. وهذا ينتج الكهرباء التي يستخدمها الناس كل يوم. من خلال عملية الحث هذه، تقوم المولدات الكبيرة أو الدينامو بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهرومغناطيسية، والتي تزود منازلنا ومكاتبنا بالطاقة. السمة الرئيسية للدينامو هي أنها تتطلب مجالات مغناطيسية للعمل.

ولكن لا توجد أسلاك في الكونأو هياكل فولاذية كبيرة، فكيف تنشأ الحقول؟ بدأ التقدم في حل هذه المشكلة منذ حوالي قرن من الزمان، عندما بدأ العلماء بالتفكير في مصدر المجال المغناطيسي للأرض. وبحلول ذلك الوقت، أظهرت دراسات انتشار الموجات الزلزالية أن معظم الكواكب الموجودة تحت الطبقات السطحية الأكثر برودة من الوشاح كانت سائلة. وأدرك العلماء أيضًا أن هناك نواة في الأرض تتكون من النيكل والحديد المنصهرين. افترض الباحثون أن حركة الحمل الحراري لهذا السائل الساخن الموصل للكهرباء ودوران الكوكب يجتمعان بطريقة ما لتكوين مجال الأرض.

في نهاية المطاف، ظهرت نماذج ذلكأظهر كيف يمكن لحركة الحمل الحراري أن تعزز مجالًا موجودًا. هذا مثال على التنظيم الذاتي - وهي خاصية تُلاحظ غالبًا في الأنظمة الديناميكية المعقدة - حيث تنمو الهياكل واسعة النطاق تلقائيًا من ديناميكيات صغيرة الحجم. ولكن تمامًا مثل محطة الطاقة، فأنت بحاجة إلى مجال مغناطيسي لإنشاء مجال مغناطيسي.

تحدث عملية مماثلة طوال الوقتالكون. ومع ذلك، في النجوم والمجرات، وكذلك في الفضاء بينهما، فإن السائل الموصل للكهرباء ليس معدنًا منصهرًا، بل بلازما. تحدث حالة المادة هذه عندما يتم تجريد الإلكترونات من ذراتها. على الأرض، يمكن رؤية البلازما على شكل برق. في مثل هذه البيئة، يمكن لتأثير الدينامو أن يعزز المجال المغناطيسي الموجود إذا بدأ عند مستوى أدنى معين.

محاكاة المجالات المغناطيسية الأولية

من أين أتى هذا الابتدائي أو الحد الأدنى؟المجال المغنطيسي؟ لمعرفة ذلك، أجرى العلماء دراسة نشرت نتائجها PNAS. قام مؤلف الدراسة وطالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا موني تشو بتطوير النظرية الأساسية وأجرى عمليات محاكاة رقمية على أجهزة الكمبيوتر العملاقة القوية لفهم العمليات الأساسية المسؤولة عن ظهور الحد الأدنى من المجال. 

تصور المجالات المغناطيسية الأولية الخيطية الناتجة عن الحركات واسعة النطاق للبلازما غير الممغنطة.
الائتمان: موني تشو وآخرون.

ومن الخصائص المهمة للبلازما الموجودةبين النجوم والمجرات - وهو متناثر للغاية، حوالي جسيم واحد لكل متر مكعب. علاوة على ذلك، فإن كثافة الجسيمات داخل النجوم أعلى بحوالي 30 مرة. تشير الكثافة المنخفضة إلى أن الجسيمات الموجودة في البلازما الكونية لا تتصادم أبدًا، مما له تأثير مهم على سلوكها.

قام العلماء بتتبع ديناميكيات البلازما، والتيتطورت من موجات منظمة جيدًا، ولكنها أصبحت مضطربة مع زيادة السعة، وأصبحت التفاعلات غير خطية إلى حد كبير. ومن خلال دمج التأثير التفصيلي لديناميات البلازما صغيرة الحجم على العمليات الفيزيائية الفلكية العيانية، أثبتوا أن المجالات المغناطيسية البدائية يمكن أن تتولد تلقائيًا بسبب الحركات العامة واسعة النطاق البسيطة مثل تدفقات القص. وكما هو الحال على الأرض، تم تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة مغناطيسية.

وكانت النتيجة الهامة لحساباتهمسعة المجال المغناطيسي المتوقع توليده تلقائيًا. وتبين أنها يمكن أن تنمو من الصفر إلى المستوى الذي تصبح فيه البلازما "ممغنطة"، أي عندما يؤثر وجود المجال بقوة على ديناميكياتها. عند هذه النقطة، يمكن لآلية الدينامو التقليدية رفع الحقول إلى مستويات يمكن ملاحظتها. وهكذا، يقدم العمل الجديد نموذجًا متسقًا ذاتيًا لتوليد المجالات المغناطيسية على المستوى الكوني، ويشرح كيف يمكن أن تظهر "من لا شيء".

ما هو الحد الأدنى؟

البروفيسور إلين زويبل من ولاية ويسكونسنتلاحظ جامعة ماديسون ، المؤلف المشارك للدراسة: "على الرغم من عقود من التقدم في علم الكونيات ، فإن أصل المجالات المغناطيسية في الكون لا يزال غير معروف. من الجيد رؤية نظرية فيزياء البلازما الحديثة والمحاكاة العددية التي تهدف إلى حل هذه المشكلة الأساسية ".

سوف تستمر تشو وزملاؤها في التحسننموذج ودراسة الانتقال من توليد المجال الأولي إلى مرحلة تضخيم الدينامو. ويريد العلماء أيضًا معرفة ما إذا كانت هذه العملية يمكن أن تعمل على نطاق زمني يتوافق مع الملاحظات الفلكية. وعلى حد تعبير الباحثين، "يمثل هذا العمل الخطوة الأولى في بناء نموذج جديد لفهم التولد المغناطيسي في الكون."

قراءة المزيد

لا توجد الجاذبية والمادة المظلمة: الشيء الرئيسي في العمل الجديد للفيزيائيين

شيء غريب يحدث في الكون: كيف نفسر التناقضات في ثابت هابل

لماذا يريدون حقًا إلغاء نظام بولونيا التعليمي في روسيا