כל העצמים האסטרופיזיים שאנשים צופים בהם מוקפים בשדות מגנטיים. ולא רק באזור שמסביב
שדות מגנטיים בכל מקום
שדות מגנטיים טבעיים נמצאים בכל מקוםב היקום. הם התגלו לראשונה על פני כדור הארץ לפני אלפי שנים בשל האינטראקציה שלהם עם מינרלים ממוגנטים. הם שימשו לניווט הרבה לפני שאנשים הבינו את טבעם או מוצאם. מגנטיות בשמש התגלתה בתחילת המאה העשרים בשל השפעתה על ספקטרום האור שפולט הכוכב. מאז, באמצעות טלסקופים חזקים יותר כדי לצפות בחלל עמוק, מדענים גילו שהשדות האלה נמצאים בכל מקום.
וגם, למרות שמדענים למדו זה מכברייצור ושימוש במגנטים קבועים ובאלקטרומגנטים, מקורם הטבעי של שדות אלה ביקום נותר בגדר תעלומה. במחקר שנערך לאחרונה, מדענים פרמו חלק מהפאזל הזה, אך היבטים רבים של הנושא עדיין נמצאים בוויכוח.
במחקרים קודמים, מדענים הבינו כיצדמערבולת יכולה לחזק שדות מגנטיים קיימים באמצעות מה שנקרא תהליך דינמו. אבל גילוי זה רק העלה שאלות נוספות. אם דינמו סוער יכול היה לחזק רק שדות קיימים, אז מאיפה הגיע השדה המגנטי המקורי, "הזרע"?
כחלק מהעבודה החדשה, מדענים הראו את העיקרתהליכים שיוצרים שדה ממצב לא ממוגנט לחלוטין לנקודה שבה הוא חזק מספיק כדי שמנגנון הדינמו יגביר אותו לגדלים נצפים.
אפקט דינמו והיקום ללא חוטים
מדענים שקלו כיצד ליצורשדות חשמליים ומגנטים במעבדה. כאשר מוליכים כגון חוטי נחושת נעים דרכם, נוצרים שדות חשמליים. לאחר מכן הם יכולים לשלוט בזרמים חשמליים. זה מייצר את החשמל שאנשים משתמשים בו כל יום. באמצעות תהליך זה של אינדוקציה, גנרטורים גדולים או דינמות ממירים אנרגיה מכנית לאנרגיה אלקטרומגנטית, המניעה את הבתים והמשרדים שלנו. המאפיין המרכזי של דינמות הוא שהם דורשים שדות מגנטיים כדי לפעול.
אבל אין חוטים ביקוםאו מבני פלדה גדולים, אז איך נוצרים שדות? ההתקדמות בפתרון בעיה זו החלה לפני כמאה שנה, כאשר מדענים החלו לחשוב על מקור השדה המגנטי של כדור הארץ. עד אז, מחקרים על התפשטות גלים סיסמיים הראו שרוב כוכבי הלכת מתחת לשכבות פני השטח הקרירות של המעטפת היו נוזליים. מדענים הבינו גם שיש ליבה בכדור הארץ המורכבת מניקל מותך וברזל. החוקרים שיערו שתנועת ההסעה של הנוזל החם והמוליך החשמלי הזה וסיבוב כוכב הלכת משתלבים איכשהו כדי ליצור את השדה של כדור הארץ.
בסופו של דבר הופיעו כך דוגמניותהראה כיצד תנועת הסעה יכולה לשפר שדה קיים. זוהי דוגמה לארגון עצמי - תכונה הנצפית לעתים קרובות במערכות דינמיות מורכבות - שבהן מבנים בקנה מידה גדול צומחים באופן ספונטני מתוך דינמיקה בקנה מידה קטן. אבל בדיוק כמו תחנת כוח, אתה צריך שדה מגנטי כדי ליצור שדה מגנטי.
תהליך דומה מתרחש לאורך כל הדרךעוֹלָם. עם זאת, בכוכבים ובגלקסיות, וגם ברווח שביניהם, הנוזל המוליך חשמלי אינו מתכת מותכת, אלא פלזמה. מצב זה של החומר מתרחש כאשר אלקטרונים מופשטים מהאטומים שלהם. על פני כדור הארץ ניתן לראות פלזמה בצורה של ברק. בסביבה כזו, אפקט הדינמו יכול לשפר את השדה המגנטי הקיים אם הוא מתחיל ברמה מינימלית כלשהי.
סימולציה של שדות מגנטיים ראשוניים
מאיפה הראשוני או המינימלי הזה?שדה מגנטי? כדי לגלות זאת, מדענים ערכו מחקר, שתוצאותיו מתפרסמות על ידי PNAS. מחבר המחקר והסטודנט לתואר שני ב-MIT Moonee Zhou פיתח את התיאוריה הבסיסית וערך סימולציות מספריות על מחשבי-על רבי עוצמה כדי להבין אילו תהליכים בסיסיים אחראים להופעת השדה המינימלי.
הדמיה של שדות מגנטיים ראשוניים חוטיים הנובעים מתנועות בקנה מידה גדול של פלזמה לא ממוגנטת.
קרדיט: Muni Zhou et al.
אחת התכונות החשובות של הפלזמה שקיימתבין כוכבים וגלקסיות - הוא מפוזר מאוד, בערך חלקיק אחד למטר מעוקב. יתרה מכך, בתוך כוכבים צפיפות החלקיקים גבוהה בכ-30 סדרי גודל. הצפיפות הנמוכה מצביעה על כך שחלקיקים בפלזמות קוסמולוגיות לעולם לא מתנגשים, דבר שיש לו השפעה חשובה על התנהגותם.
מדענים עקבו אחר הדינמיקה בפלזמה, אשרהתפתחו מגלים מסודרים היטב, אך הפכו סוערים ככל שהמשרעת גדלה, והאינטראקציות הפכו מאוד לא ליניאריות. על ידי שילוב ההשפעה המפורטת של דינמיקת פלזמה בקנה מידה קטן על תהליכים אסטרופיזיקליים מאקרוסקופיים, הם הוכיחו שניתן ליצור שדות מגנטיים ראשוניים באופן ספונטני עקב תנועות כלליות בקנה מידה גדול כמו זרימת גזירה. כמו בכדור הארץ, אנרגיה מכנית הומרה לאנרגיה מגנטית.
תוצאה חשובה של החישובים שלהם הייתהמשרעת של השדה המגנטי הצפוי שנוצר באופן ספונטני. התברר שהוא יכול לצמוח מאפס לרמה שבה הפלזמה הופכת ל"ממוגנטת", כלומר, כאשר נוכחות השדה משפיעה מאוד על הדינמיקה שלו. בשלב זה, מנגנון דינמו מסורתי יכול להעלות את השדות לרמות הניתנות לצפייה. לפיכך, העבודה החדשה מציגה מודל עקבי ליצירת שדות מגנטיים בקנה מידה קוסמולוגי ומסבירה כיצד הם יכולים להופיע "יש מאין".
מה השורה התחתונה?
פרופסור אלן צויבל מוויסקונסיןאוניברסיטת מדיסון, מחבר שותף של המחקר, מציינת: "למרות עשרות שנים של התקדמות בקוסמולוגיה, מקורם של שדות מגנטיים ביקום נותר לא ידוע. זה נחמד לראות תיאוריית פיזיקת פלזמה מודרנית וסימולציות מספריות שמטרתן לפתור את הבעיה הבסיסית הזו".
ג'ואו ועמיתיה ימשיכו להשתפרלדגמן ולחקור את המעבר מיצירת השדה הראשוני לשלב ההגברה של הדינמו. המדענים רוצים גם לברר האם תהליך זה יכול לפעול בקנה מידה של זמן התואם עם תצפיות אסטרונומיות. אם לצטט את החוקרים, "עבודה זו מייצגת הצעד הראשון בבניית פרדיגמה חדשה להבנת המגנוגנזה ביקום."
קרא עוד
כוח הכבידה והחומר האפל אינם קיימים: העיקר בעבודה החדשה של פיזיקאים
משהו מוזר קורה ביקום: איך להסביר חוסר עקביות בקבוע האבל
למה הם באמת רוצים לבטל את מערכת החינוך בבולוניה ברוסיה