Alle astrophysikalischen Objekte, die Menschen beobachten, sind von Magnetfeldern umgeben. Und das nicht nur in der Umgebung
Magnetfelder überall
Natürliche Magnetfelder gibt es überallim Universum. Aufgrund ihrer Wechselwirkung mit magnetisierten Mineralien wurden sie erstmals vor Tausenden von Jahren auf der Erde entdeckt. Sie dienten der Navigation, lange bevor die Menschen ihre Natur oder Herkunft verstanden. Der Magnetismus in der Sonne wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts aufgrund seines Einflusses auf das vom Stern emittierte Lichtspektrum entdeckt. Seitdem haben Wissenschaftler mithilfe leistungsstärkerer Teleskope zur Beobachtung des Weltraums herausgefunden, dass diese Felder überall sind.
Und obwohl Wissenschaftler schon lange gelernt habenWährend der Herstellung und Verwendung von Permanentmagneten und Elektromagneten blieb der natürliche Ursprung dieser Felder im Universum ein Rätsel. In einer aktuellen Studie haben Wissenschaftler einen Teil dieses Rätsels gelöst, viele Aspekte des Problems werden jedoch immer noch diskutiert.
In früheren Studien haben Wissenschaftler verstanden, wieTurbulenzen können bereits bestehende Magnetfelder durch den sogenannten Dynamoprozess verstärken. Aber diese Entdeckung warf nur noch mehr Fragen auf: Wenn ein turbulenter Dynamo nur bestehende verstärken konnte, woher kam dann das ursprüngliche „Keim“-Magnetfeld?
Im Rahmen der neuen Arbeit haben Wissenschaftler die wichtigsten gezeigtProzesse, die ein Feld von einem vollständig unmagnetisierten Zustand bis zu einem Punkt erzeugen, an dem es stark genug ist, damit der Dynamomechanismus es auf beobachtbare Größen verstärken kann.
Dynamo-Effekt und das Universum ohne Kabel
Wissenschaftler haben darüber nachgedacht, wie man etwas erschafftelektrische und magnetische Felder im Labor. Wenn sich Leiter wie Kupferdraht durch sie bewegen, entstehen elektrische Felder. Sie können dann elektrische Ströme steuern. Dadurch entsteht der Strom, den die Menschen täglich verbrauchen. Durch diesen Induktionsprozess wandeln große Generatoren oder Dynamos mechanische Energie in elektromagnetische Energie um, die unsere Häuser und Büros mit Strom versorgt. Das Hauptmerkmal von Dynamos ist, dass sie zum Betrieb Magnetfelder benötigen.
Aber es gibt keine Drähte im Universumoder große Stahlkonstruktionen, wie entstehen also Felder? Fortschritte bei der Lösung dieses Problems begannen vor etwa einem Jahrhundert, als Wissenschaftler begannen, über die Quelle des Erdmagnetfelds nachzudenken. Bis dahin hatten Studien zur Ausbreitung seismischer Wellen gezeigt, dass die meisten Planeten unter den kühleren Oberflächenschichten des Mantels flüssig waren. Wissenschaftler erkannten auch, dass es in der Erde einen Kern gab, der aus geschmolzenem Nickel und Eisen bestand. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass die Konvektionsbewegung dieser heißen, elektrisch leitenden Flüssigkeit und die Rotation des Planeten irgendwie zusammenwirken, um das Erdfeld zu erzeugen.
Irgendwann tauchten Modelle aufzeigte, wie konvektive Bewegung ein bestehendes Feld verstärken kann. Dies ist ein Beispiel für Selbstorganisation – eine Eigenschaft, die häufig in komplexen dynamischen Systemen beobachtet wird – bei der großräumige Strukturen spontan aus kleinräumigen Dynamiken entstehen. Aber genau wie bei einem Kraftwerk braucht man ein Magnetfeld, um ein Magnetfeld zu erzeugen.
Ein ähnlicher Prozess läuft überall abUniversum. In Sternen und Galaxien sowie im Raum dazwischen handelt es sich bei der elektrisch leitenden Flüssigkeit jedoch nicht um geschmolzenes Metall, sondern um Plasma. Dieser Materiezustand entsteht, wenn Elektronen aus ihren Atomen entfernt werden. Auf der Erde ist Plasma in Form von Blitzen zu sehen. In einer solchen Umgebung kann der Dynamoeffekt das vorhandene Magnetfeld verstärken, wenn er auf einem Mindestniveau beginnt.
Simulation primärer Magnetfelder
Woher kommt dieses Primäre oder Minimale?ein Magnetfeld? Um das herauszufinden, führten Wissenschaftler eine Studie durch, deren Ergebnisse von PNAS veröffentlicht werden. Studienautorin und MIT-Absolventin Moonee Zhou entwickelte die grundlegende Theorie und führte numerische Simulationen auf leistungsstarken Supercomputern durch, um zu verstehen, welche grundlegenden Prozesse für das Auftreten des Minimalfeldes verantwortlich sind.
Visualisierung filamentförmiger primärer Magnetfelder, die aus großräumigen Bewegungen von unmagnetisiertem Plasma resultieren.
Bildnachweis: Muni Zhou et al.
Eine der wichtigen Eigenschaften des vorhandenen Plasmaszwischen Sternen und Galaxien - es ist stark gestreut, etwa ein Teilchen pro Kubikmeter. Darüber hinaus ist die Teilchendichte im Inneren von Sternen etwa 30 Größenordnungen höher. Die geringe Dichte weist darauf hin, dass Teilchen in kosmologischen Plasmen niemals kollidieren, was einen wichtigen Einfluss auf ihr Verhalten hat.
Wissenschaftler verfolgten die Dynamik im Plasmaentwickelten sich aus wohlgeordneten Wellen, wurden jedoch mit zunehmender Amplitude turbulent und die Wechselwirkungen wurden stark nichtlinear. Durch die Einbeziehung des detaillierten Einflusses der Plasmadynamik im kleinen Maßstab auf makroskopische astrophysikalische Prozesse zeigten sie, dass ursprüngliche Magnetfelder spontan erzeugt werden können aufgrund allgemeiner großräumiger Bewegungen, die so einfach wie Scherströmungen sind. Wie auf der Erde wurde mechanische Energie in magnetische Energie umgewandelt.
Ein wichtiges Ergebnis ihrer Berechnungen warAmplitude des erwarteten spontan erzeugten Magnetfeldes. Es stellte sich heraus, dass es von Null bis zu dem Niveau wachsen kann, bei dem das Plasma „magnetisiert“ wird, d. h. wenn das Vorhandensein des Feldes seine Dynamik stark beeinflusst. An diesem Punkt kann ein traditioneller Dynamomechanismus die Felder auf beobachtbare Werte anheben. Damit stellt die neue Arbeit ein in sich konsistentes Modell für die Erzeugung magnetischer Felder auf kosmologischer Skala vor und erklärt, wie sie „aus dem Nichts“ entstehen könnten.
Was ist das Endergebnis?
Professor Ellen Zweibel aus WisconsinUniversity of Madison, Co-Autor der Studie, bemerkt: „Trotz jahrzehntelanger Fortschritte in der Kosmologie bleibt der Ursprung der Magnetfelder im Universum unbekannt. Es ist schön, moderne Plasmaphysiktheorie und numerische Simulationen zu sehen, die darauf abzielen, dieses grundlegende Problem zu lösen."
Zhou und ihre Kollegen werden sich weiter verbessernModellieren und untersuchen Sie den Übergang von der anfänglichen Felderzeugung zur Phase der Dynamoverstärkung. Die Wissenschaftler wollen außerdem herausfinden, ob dieser Prozess auf einer Zeitskala ablaufen kann, die mit astronomischen Beobachtungen vereinbar ist. Um die Forscher zu zitieren: „Diese Arbeit repräsentiert der erste Schritt zum Aufbau eines neuen Paradigmas zum Verständnis der Magnetogenese im Universum.“
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