Alle astrofysiske objekter som folk observerer er omgitt av magnetiske felt. Og ikke bare i området rundt
Magnetiske felt overalt
Naturlige magnetfelt finnes overalti universet. De ble først oppdaget på jorden for tusenvis av år siden på grunn av deres interaksjon med magnetiserte mineraler. De ble brukt til navigering lenge før folk forsto deres natur eller opphav. Magnetisme i solen ble oppdaget på begynnelsen av det tjuende århundre på grunn av dens innflytelse på lysspekteret som sendes ut av stjernen. Siden den gang, ved å bruke kraftigere teleskoper for å observere dype rom, har forskere oppdaget at disse feltene er overalt.
Og selv om forskere lenge har lærtproduksjon og bruk av permanente magneter og elektromagneter, forble den naturlige opprinnelsen til disse feltene i universet et mysterium. I en fersk studie har forskere løst en del av dette puslespillet, men mange aspekter av problemet diskuteres fortsatt.
I tidligere studier har forskere forstått hvordanTurbulens kan styrke allerede eksisterende magnetfelt gjennom den såkalte dynamo-prosessen. Men denne oppdagelsen reiste bare flere spørsmål.
Som en del av det nye arbeidet har forskere vist det viktigsteprosesser som genererer et felt fra en fullstendig umagnetisert tilstand til et punkt hvor det er sterkt nok til at dynamomekanismen kan forsterke det til observerbare størrelser.
Dynamoeffekt og universet uten ledninger
Forskere har vurdert hvordan man kan skapeelektriske og magnetiske felt i laboratoriet. Når ledere som kobbertråd beveger seg gjennom dem, dannes det elektriske felt. De kan da kontrollere elektriske strømmer. Dette produserer strømmen som folk bruker hver dag. Gjennom denne induksjonsprosessen konverterer store generatorer eller dynamoer mekanisk energi til elektromagnetisk energi, som driver våre hjem og kontorer. Nøkkeltrekket til dynamoer er at de krever magnetiske felt for å fungere.
Men det er ingen ledninger i universeteller store stålkonstruksjoner, så hvordan oppstår felt? Fremskritt med å løse dette problemet begynte for omtrent et århundre siden, da forskere begynte å tenke på kilden til jordens magnetfelt. Da hadde studier av seismisk bølgeutbredelse vist at de fleste planetene under de kjøligere overflatelagene til mantelen var flytende. Forskere innså også at det var en kjerne i jorden bestående av smeltet nikkel og jern. Forskerne antok at den konvektive bevegelsen til denne varme, elektrisk ledende væsken og planetens rotasjon på en eller annen måte kombineres for å skape jordens felt.
Etter hvert dukket det opp modeller somviste hvordan konvektiv bevegelse kan forbedre et eksisterende felt. Dette er et eksempel på selvorganisering – en egenskap som ofte observeres i komplekse dynamiske systemer – der storskalastrukturer spontant vokser ut av småskala dynamikk. Men akkurat som et kraftverk trenger du et magnetfelt for å skape et magnetfelt.
En lignende prosess skjer hele veienUnivers. Men i stjerner og galakser, og også i rommet mellom dem, er den elektrisk ledende væsken ikke smeltet metall, men plasma. Denne materietilstanden oppstår når elektroner fjernes fra atomene deres. På jorden kan plasma sees i form av lyn. I et slikt miljø kan dynamoeffekten forsterke det eksisterende magnetfeltet hvis det starter på et minimumsnivå.
Simulering av primære magnetiske felt
Hvor kom denne primære eller minimale fra?et magnetfelt? For å finne ut, utførte forskere en studie, hvis resultater er publisert av PNAS. Studieforfatter og MIT-student Moonee Zhou utviklet den grunnleggende teorien og gjennomførte numeriske simuleringer på kraftige superdatamaskiner for å forstå hvilke grunnleggende prosesser som er ansvarlige for utseendet til minimumsfeltet.
Visualisering av filamentære primære magnetiske felt som følge av store bevegelser av umagnetisert plasma.
Kreditt: Muni Zhou et al.
En av de viktige egenskapene til plasma som finnesmellom stjerner og galakser - den er svært spredt, omtrent en partikkel per kubikkmeter. Dessuten, inne i stjerner er tettheten av partikler omtrent 30 størrelsesordener høyere. Den lave tettheten indikerer at partikler i kosmologiske plasmaer aldri kolliderer, noe som har en viktig effekt på deres oppførsel.
Forskere sporet dynamikken i plasma, somutviklet seg fra velordnede bølger, men ble turbulente etter hvert som amplituden økte, og interaksjonene ble svært ikke-lineære. Ved å inkorporere den detaljerte påvirkningen av småskala plasmadynamikk på makroskopiske astrofysiske prosesser, demonstrerte de at primordiale magnetiske felt kan genereres spontant på grunn av generelle store bevegelser så enkle som skjærstrømmer. Som på jorden ble mekanisk energi omdannet til magnetisk energi.
Et viktig resultat av deres beregninger varamplituden til det forventede spontant genererte magnetfeltet. Det viste seg at det kan vokse fra null til nivået der plasmaet blir "magnetisert", det vil si når tilstedeværelsen av feltet påvirker dynamikken sterkt. På dette tidspunktet kan en tradisjonell dynamo-mekanisme heve feltene til observerbare nivåer. Dermed presenterer det nye verket en selvkonsistent modell for generering av magnetiske felt på en kosmologisk skala og forklarer hvordan de kan dukke opp "ut av ingenting."
Hva er bunnlinjen?
Professor Ellen Zweibel fra WisconsinUniversity of Madison, medforfatter av studien, bemerker: "Til tross for tiår med fremgang innen kosmologi, er opprinnelsen til magnetiske felt i universet fortsatt ukjent. Det er hyggelig å se moderne plasmafysikkteori og numeriske simuleringer som tar sikte på å løse dette grunnleggende problemet."
Zhou og hennes kolleger vil fortsette å forbedre segmodellere og studere overgangen fra den innledende feltgenereringen til dynamoforsterkningsfasen. Forskerne ønsker også å finne ut om denne prosessen kan operere på en tidsskala som samsvarer med astronomiske observasjoner. For å sitere forskerne, "Dette arbeidet representerer det første trinnet i å bygge et nytt paradigme for å forstå magnetogenese i universet."
Les mer
Tyngdekraft og mørk materie eksisterer ikke: det viktigste med det nye arbeidet til fysikere
Noe merkelig skjer i universet: hvordan forklare inkonsekvenser i Hubble-konstanten
Hvorfor ønsker de egentlig å kansellere Bologna-systemet for utdanning i Russland