Kaikki ihmisten havaitsemat astrofysikaaliset esineet ovat magneettikenttien ympäröimiä. Eikä vain ympäröivällä alueella
Magneettikenttiä kaikkialla
Luonnollisia magneettikenttiä löytyy kaikkialtauniversumissa. Ne löydettiin ensimmäisen kerran maapallolta tuhansia vuosia sitten johtuen niiden vuorovaikutuksesta magnetoituneiden mineraalien kanssa. Niitä käytettiin navigointiin kauan ennen kuin ihmiset ymmärsivät niiden luonteen tai alkuperän. Magnetismi Auringosta löydettiin 1900-luvun alussa sen vaikutuksesta tähden emittoiman valon spektriin. Sittemmin tutkijat ovat havainneet, että nämä kentät ovat kaikkialla, käyttämällä tehokkaampia teleskooppeja syväavaruuden tarkkailuun.
Ja vaikka tiedemiehet ovat jo pitkään oppineetkestomagneettien ja sähkömagneettien valmistus ja käyttö, näiden kenttien luonnollinen alkuperä universumissa jäi mysteeriksi. Äskettäisessä tutkimuksessa tutkijat ovat selvittäneet osan tästä palapelistä, mutta monista asian näkökohdista keskustellaan edelleen.
Aiemmissa tutkimuksissa tutkijat ovat ymmärtäneet, mitenTurbulenssi voi vahvistaa olemassa olevia magneettikenttiä niin sanotun dynamoprosessin avulla. Mutta tämä löytö herätti vain lisää kysymyksiä.
Osana uutta työtä tutkijat ovat osoittaneet tärkeimmänprosesseja, jotka synnyttävät kentän täysin magnetoimattomasta tilasta pisteeseen, jossa se on tarpeeksi vahva, jotta dynamomekanismi voi vahvistaa sen havaittavissa oleviin suuruuksiin.
Dynamoefekti ja maailmankaikkeus ilman johtoja
Tiedemiehet ovat pohtineet, kuinka luodasähkö- ja magneettikentät laboratoriossa. Kun johtimet, kuten kuparilanka, liikkuvat niiden läpi, syntyy sähkökenttiä. Ne voivat sitten ohjata sähkövirtoja. Tämä tuottaa sähköä, jota ihmiset käyttävät päivittäin. Tämän induktioprosessin avulla suuret generaattorit tai dynamot muuttavat mekaanisen energian sähkömagneettiseksi energiaksi, joka saa virtansa koteihimme ja toimistoihimme. Dynaamojen tärkein ominaisuus on, että ne vaativat magneettikenttiä toimiakseen.
Mutta universumissa ei ole johtojatai suuret teräsrakenteet, joten miten kentät syntyvät? Tämän ongelman ratkaiseminen alkoi noin sata vuotta sitten, kun tiedemiehet alkoivat pohtia Maan magneettikentän lähdettä. Siihen mennessä seismisen aallon etenemistutkimukset olivat osoittaneet, että suurin osa vaipan viileämpien pintakerrosten alla olevista planeetoista oli nestemäisiä. Tiedemiehet ymmärsivät myös, että maapallolla oli ydin, joka koostuu sulasta nikkelistä ja raudasta. Tutkijat olettivat, että tämän kuuman, sähköä johtavan nesteen konvektiivinen liike ja planeetan pyöriminen yhdistyvät jotenkin muodostaen Maan kentän.
Lopulta mallit ilmestyivätosoitti kuinka konvektiivinen liike voi parantaa olemassa olevaa kenttää. Tämä on esimerkki itseorganisoitumisesta – ominaisuudesta, jota usein havaitaan monimutkaisissa dynaamisissa järjestelmissä – jossa suuret rakenteet kasvavat spontaanisti pienen mittakaavan dynamiikasta. Mutta aivan kuten voimalaitoksessa, tarvitset magneettikentän luodaksesi magneettikentän.
Samanlainen prosessi tapahtuu kaikkiallaUniversumi. Tähdissä ja galakseissa ja myös niiden välisessä tilassa sähköä johtava neste ei kuitenkaan ole sulaa metallia, vaan plasmaa. Tämä aineen tila syntyy, kun elektronit irrotetaan atomeistaan. Maapallolla plasma voidaan nähdä salaman muodossa. Tällaisessa ympäristössä dynamovaikutus voi tehostaa olemassa olevaa magneettikenttää, jos se alkaa joltain minimitasolta.
Ensisijaisten magneettikenttien simulointi
Mistä tämä ensisijainen tai minimi tuli?magneettikenttä? Selvittääkseen tutkijat suorittivat tutkimuksen, jonka tulokset on julkaissut PNAS. Tutkimuksen kirjoittaja ja MIT:n jatko-opiskelija Moonee Zhou kehitti taustalla olevan teorian ja suoritti numeerisia simulaatioita tehokkailla supertietokoneilla ymmärtääkseen, mitkä perusprosessit ovat vastuussa vähimmäiskentän syntymisestä.
Magnetoimattoman plasman laajamittaisista liikkeistä aiheutuvien filamentaaristen primääristen magneettikenttien visualisointi.
Luotto: Muni Zhou et al.
Yksi plasman tärkeimmistä olemassa olevista ominaisuuksistatähtien ja galaksien välillä - se on erittäin hajallaan, noin yksi hiukkanen kuutiometriä kohden. Lisäksi tähtien sisällä hiukkasten tiheys on noin 30 suuruusluokkaa suurempi. Alhainen tiheys osoittaa, että hiukkaset kosmologisissa plasmassa eivät koskaan törmää, mikä vaikuttaa merkittävästi niiden käyttäytymiseen.
Tutkijat seurasivat plasman dynamiikkaa, mikäkehittyivät hyvin järjestetyistä aalloista, mutta muuttuivat turbulentiksi amplitudin kasvaessa ja vuorovaikutuksista tuli erittäin epälineaarisia. Ottamalla mukaan pienen mittakaavan plasmadynamiikan yksityiskohtainen vaikutus makroskooppisiin astrofysikaalisiin prosesseihin, he osoittivat, että alkuperäisiä magneettikenttiä voidaan luoda spontaanisti johtuen yleisistä suurista liikkeistä, jotka ovat niin yksinkertaisia kuin leikkausvirtaukset. Kuten maan päällä, mekaaninen energia muutettiin magneettiseksi energiaksi.
Tärkeä tulos heidän laskelmistaan oliodotetun spontaanisti muodostuvan magneettikentän amplitudi. Kävi ilmi, että se voi kasvaa nollasta tasolle, jolla plasma "magnetoituu", eli kun kentän läsnäolo vaikuttaa voimakkaasti sen dynamiikkaan. Tässä vaiheessa perinteinen dynamomekanismi voi nostaa kentät havaittaville tasoille. Siten uusi teos esittelee itsestään johdonmukaisen mallin magneettikenttien luomiseksi kosmologisessa mittakaavassa ja selittää, kuinka ne voivat ilmaantua "tyhjältä".
Mikä lopputulos on?
Professori Ellen Zweibel WisconsinistaMadisonin yliopisto, tutkimuksen toinen kirjoittaja, toteaa: "Kosmologian vuosikymmenien edistymisestä huolimatta magneettikenttien alkuperä maailmankaikkeudessa on edelleen tuntematon. On hienoa nähdä modernia plasmafysiikan teoriaa ja numeerisia simulaatioita, joilla pyritään ratkaisemaan tämä perusongelma."
Zhou ja hänen kollegansa parantavat edelleenmallintaa ja tutkia siirtymistä alkuperäisestä kenttäsukupolvesta dynamovahvistusvaiheeseen. Tutkijat haluavat myös selvittää, voiko tämä prosessi toimia tähtitieteellisten havaintojen mukaisella aikaskaalalla. Tutkijoita lainatakseni: "Tämä työ edustaa ensimmäinen askel uuden paradigman rakentamisessa universumin magnetogeneesin ymmärtämiseen."
Lue lisää
Painovoimaa ja pimeää ainetta ei ole olemassa: tärkein asia fyysikkojen uudessa työssä
Universumissa tapahtuu jotain outoa: kuinka selittää Hubble-vakion epäjohdonmukaisuudet
Miksi he todella haluavat peruuttaa Bolognan koulutusjärjestelmän Venäjällä?