Alle astrofysiske objekter, som mennesker observerer, er omgivet af magnetiske felter. Og ikke kun i det omkringliggende område
Magnetiske felter overalt
Naturlige magnetfelter findes overalti universet. De blev først opdaget på Jorden for tusinder af år siden på grund af deres interaktion med magnetiserede mineraler. De blev brugt til navigation længe før folk forstod deres natur eller oprindelse. Magnetisme i solen blev opdaget i begyndelsen af det tyvende århundrede på grund af dens indflydelse på lysspektret udsendt af stjernen. Siden da, ved at bruge kraftigere teleskoper til at observere dybt rum, har videnskabsmænd opdaget, at disse felter er overalt.
Og selvom forskerne længe har lærtfremstilling og brug af permanente magneter og elektromagneter, den naturlige oprindelse af disse felter i universet forblev et mysterium. I en nylig undersøgelse har videnskabsmænd løst en del af dette puslespil, men mange aspekter af spørgsmålet diskuteres stadig.
I tidligere undersøgelser har forskere forstået hvordanturbulens kan styrke allerede eksisterende magnetfelter gennem den såkaldte dynamo-proces. Men denne opdagelse rejste kun flere spørgsmål. Hvis en turbulent dynamo kun kunne styrke eksisterende, hvor kom så det oprindelige "frø"-magnetfelt fra?
Som en del af det nye arbejde har forskere vist det vigtigsteprocesser, der genererer et felt fra en fuldstændig umagnetiseret tilstand til et punkt, hvor det er stærkt nok til, at dynamomekanismen kan forstærke det til observerbare størrelser.
Dynamo-effekt og universet uden ledninger
Forskere har overvejet, hvordan man skaberelektriske og magnetiske felter i laboratoriet. Når ledere såsom kobbertråd bevæger sig gennem dem, dannes der elektriske felter. De kan så styre elektriske strømme. Sådan bliver der produceret strøm, som folk bruger hver dag. Gennem denne induktionsproces omdanner store generatorer eller dynamoer mekanisk energi til elektromagnetisk energi, som driver vores hjem og kontorer. Det vigtigste ved dynamoer er, at de kræver magnetiske felter for at fungere.
Men der er ingen ledninger i universeteller store stålkonstruktioner, så hvordan opstår felter? Fremskridt med at løse dette problem begyndte for omkring et århundrede siden, da videnskabsmænd begyndte at tænke på kilden til Jordens magnetfelt. På det tidspunkt havde undersøgelser af seismisk bølgeudbredelse vist, at de fleste af planeterne under de køligere overfladelag af kappen var flydende. Forskere indså også, at der var en kerne i Jorden bestående af smeltet nikkel og jern. Forskerne antog, at den konvektive bevægelse af denne varme, elektrisk ledende væske og planetens rotation på en eller anden måde kombineres for at skabe Jordens felt.
Til sidst dukkede modeller opviste, hvordan konvektiv bevægelse kan forbedre et eksisterende felt. Dette er et eksempel på selvorganisering - en egenskab, der ofte observeres i komplekse dynamiske systemer - hvor storskalastrukturer spontant vokser ud af småskala dynamik. Men ligesom et kraftværk har du brug for et magnetfelt for at skabe et magnetfelt.
En lignende proces foregår hele vejen igennemUnivers. Men i stjerner og galakser, og også i rummet mellem dem, er den elektrisk ledende væske ikke smeltet metal, men plasma. Denne tilstand af stof opstår, når elektroner fjernes fra deres atomer. På Jorden kan plasma ses i form af lyn. I et sådant miljø kan dynamoeffekten forstærke det eksisterende magnetfelt, hvis det starter på et minimumsniveau.
Simulering af primære magnetfelter
Hvor kom dette primære eller minimale fra?et magnetfelt? For at finde ud af det gennemførte forskere en undersøgelse, hvis resultater er offentliggjort af PNAS. Studieforfatter og MIT-kandidatstuderende Moonee Zhou udviklede den grundlæggende teori og udførte numeriske simuleringer på kraftfulde supercomputere for at forstå, hvilke grundlæggende processer der er ansvarlige for udseendet af minimumsfeltet.
Visualisering af filamentære primære magnetiske felter som følge af store bevægelser af umagnetiseret plasma.
Kredit: Muni Zhou et al.
En af de vigtige egenskaber ved plasma, der findesmellem stjerner og galakser - den er meget spredt, omkring en partikel pr. kubikmeter. Desuden er tætheden af partikler inde i stjerner cirka 30 størrelsesordener højere. Den lave tæthed indikerer, at partikler i kosmologiske plasmaer aldrig kolliderer, hvilket har en vigtig effekt på deres adfærd.
Forskere sporede dynamikken i plasma, hvilketudviklet sig fra velordnede bølger, men blev turbulente, efterhånden som amplituden steg, og vekselvirkningerne blev meget ikke-lineære. Ved at inkorporere den detaljerede indflydelse fra plasmadynamik i lille skala på makroskopiske astrofysiske processer, demonstrerede de, at urmagnetiske felter kan genereres spontant på grund af generelle store bevægelser så simple som forskydningsstrømme. Som på Jorden blev mekanisk energi omdannet til magnetisk energi.
Et vigtigt resultat af deres beregninger varamplitude af det forventede spontant genererede magnetfelt. Det viste sig, at det kan vokse fra nul til det niveau, hvor plasmaet bliver "magnetiseret", det vil sige, når tilstedeværelsen af feltet kraftigt påvirker dets dynamik. På dette tidspunkt kan en traditionel dynamo-mekanisme hæve markerne til observerbare niveauer. Således præsenterer det nye værk en selvkonsistent model for generering af magnetiske felter på en kosmologisk skala og forklarer, hvordan de kunne opstå "ud af ingenting."
Hvad er bundlinjen?
Professor Ellen Zweibel fra WisconsinUniversity of Madison, medforfatter af undersøgelsen, bemærker: "På trods af årtiers fremskridt inden for kosmologi er oprindelsen af magnetiske felter i universet stadig ukendt. Det er rart at se moderne plasmafysikteori og numeriske simuleringer, der har til formål at løse dette grundlæggende problem."
Zhou og hendes kolleger vil fortsætte med at forbedre sigmodellere og studere overgangen fra den indledende feltgenerering til dynamoamplifikationsfasen. Forskerne ønsker også at finde ud af, om denne proces kan fungere på en tidsskala, der stemmer overens med astronomiske observationer. For at citere forskerne, "Dette arbejde repræsenterer det første skridt i at opbygge et nyt paradigme til forståelse af magnetogenese i universet."
Læs mere
Tyngdekraft og mørkt stof eksisterer ikke: det vigtigste ved fysikernes nye arbejde
Der sker noget mærkeligt i universet: hvordan man forklarer uoverensstemmelser i Hubble-konstanten
Hvorfor ønsker de egentlig at annullere Bologna-uddannelsessystemet i Rusland