Wszystkie obserwowane przez ludzi obiekty astrofizyczne otoczone są polami magnetycznymi. I nie tylko w najbliższej okolicy
Wszędzie pola magnetyczne
Naturalne pola magnetyczne można znaleźć wszędziewe Wszechświecie. Po raz pierwszy odkryto je na Ziemi tysiące lat temu w wyniku ich interakcji z namagnesowanymi minerałami. Używano ich do nawigacji na długo zanim ludzie zrozumieli ich naturę i pochodzenie. Magnetyzm w Słońcu został odkryty na początku XX wieku ze względu na jego wpływ na widmo światła emitowanego przez gwiazdę. Od tego czasu, wykorzystując potężniejsze teleskopy do obserwacji głębokiego kosmosu, naukowcy odkryli, że pola te są wszędzie.
I chociaż naukowcy od dawna się nauczyliprodukcji i stosowania magnesów trwałych i elektromagnesów, naturalne pochodzenie tych pól we Wszechświecie pozostawało tajemnicą. W niedawnym badaniu naukowcy rozwikłali część tej zagadki, ale wiele aspektów tej kwestii jest wciąż przedmiotem dyskusji.
W poprzednich badaniach naukowcy zrozumieli, jak to zrobićturbulencje mogą wzmocnić istniejące wcześniej pola magnetyczne poprzez tak zwany proces dynamo, ale to odkrycie zrodziło tylko więcej pytań. Skoro turbulentne dynamo może jedynie wzmocnić istniejące, to skąd wzięło się pierwotne „zarodkowe” pole magnetyczne?
W ramach nowej pracy naukowcy wykazali główneprocesy, które generują pole od całkowicie nienamagnesowanego stanu do punktu, w którym jest ono wystarczająco silne, aby mechanizm dynamo wzmocnił je do obserwowalnych wielkości.
Efekt dynama i wszechświat bez przewodów
Naukowcy zastanawiali się, jak stworzyćpola elektryczne i magnetyczne w laboratorium. Kiedy poruszają się przez nie przewodniki, takie jak drut miedziany, powstają pola elektryczne. Mogą wtedy kontrolować prądy elektryczne. W ten sposób powstaje prąd, z którego ludzie korzystają na co dzień. Dzięki temu procesowi indukcji duże generatory lub dynama przekształcają energię mechaniczną w energię elektromagnetyczną, która zasila nasze domy i biura. Kluczową cechą dynama jest to, że do działania wymagają pola magnetycznego.
Ale we Wszechświecie nie ma przewodówczy duże konstrukcje stalowe, więc jak powstają pola? Postęp w rozwiązaniu tego problemu rozpoczął się około sto lat temu, kiedy naukowcy zaczęli zastanawiać się nad źródłem pola magnetycznego Ziemi. Do tego czasu badania propagacji fal sejsmicznych wykazały, że większość planet pod chłodniejszymi warstwami powierzchniowymi płaszcza była cieczą. Naukowcy zdali sobie również sprawę, że na Ziemi znajduje się jądro składające się ze stopionego niklu i żelaza. Naukowcy postawili hipotezę, że ruch konwekcyjny tego gorącego, przewodzącego elektrycznie płynu i obrót planety w jakiś sposób łączą się, tworząc pole ziemskie.
W końcu pojawiły się takie modelepokazał, jak ruch konwekcyjny może wzmocnić istniejące pole. Jest to przykład samoorganizacji – właściwości często obserwowanej w złożonych układach dynamicznych – gdzie struktury o dużej skali spontanicznie wyrastają z dynamiki o małej skali. Ale tak jak w elektrowni, do wytworzenia pola magnetycznego potrzebne jest pole magnetyczne.
Podobny proces zachodzi w całym tekścieWszechświat. Jednak w gwiazdach i galaktykach, a także w przestrzeni między nimi, cieczą przewodzącą elektrycznie nie jest stopiony metal, ale plazma. Ten stan materii występuje, gdy elektrony są odrywane od atomów. Na Ziemi plazmę można zobaczyć w postaci błyskawicy. W takim środowisku efekt dynama może wzmocnić istniejące pole magnetyczne, jeśli zacznie się od pewnego minimalnego poziomu.
Symulacja pierwotnych pól magnetycznych
Skąd wziął się ten podstawowy lub minimalny?pole magnetyczne? Aby się tego dowiedzieć, naukowcy przeprowadzili badanie, którego wyniki opublikował PNAS. Autor badania i absolwent MIT Moonee Zhou opracował podstawową teorię i przeprowadził symulacje numeryczne na potężnych superkomputerach, aby zrozumieć, jakie podstawowe procesy są odpowiedzialne za pojawienie się pola minimalnego.
Wizualizacja włóknistych pierwotnych pól magnetycznych powstałych w wyniku ruchów nienamagnesowanej plazmy na dużą skalę.
Źródło: Muni Zhou i in.
Jedna z ważnych właściwości plazmy, która istniejepomiędzy gwiazdami i galaktykami - jest silnie rozproszona, około jednej cząstki na metr sześcienny. Co więcej, wewnątrz gwiazd gęstość cząstek jest o około 30 rzędów wielkości większa. Niska gęstość wskazuje, że cząstki w plazmie kosmologicznej nigdy się nie zderzają, co ma istotny wpływ na ich zachowanie.
Naukowcy prześledzili dynamikę plazmy, którarozwinęły się z dobrze uporządkowanych fal, ale stały się turbulentne wraz ze wzrostem amplitudy, a interakcje stały się wysoce nieliniowe. Uwzględniając szczegółowy wpływ dynamiki plazmy w małej skali na makroskopowe procesy astrofizyczne, wykazali, że pierwotne pola magnetyczne mogą być generowane spontanicznie ze względu na ogólne ruchy na dużą skalę, tak proste jak przepływy ścinające. Podobnie jak na Ziemi, energia mechaniczna została zamieniona na magnetyczny.
Ważnym wynikiem ich obliczeń byłoamplituda oczekiwanego, samoistnie generowanego pola magnetycznego. Okazało się, że może ona wzrosnąć od zera do poziomu, przy którym plazma ulega „namagnesowaniu”, czyli wtedy, gdy obecność pola silnie wpływa na jej dynamikę. W tym momencie tradycyjny mechanizm dynama może podnieść pola do obserwowalnych poziomów. W związku z tym nowa praca przedstawia spójny model generowania pól magnetycznych w skali kosmologicznej i wyjaśnia, w jaki sposób mogą one pojawić się „z niczego”.
Jaki jest wynik finansowy?
Profesor Ellen Zweibel z WisconsinUniversity of Madison, współautor badania, zauważa: „Pomimo dziesięcioleci postępu w kosmologii pochodzenie pól magnetycznych we wszechświecie pozostaje nieznane. Miło jest widzieć współczesną teorię fizyki plazmy i symulacje numeryczne, które mają na celu rozwiązanie tego fundamentalnego problemu”.
Zhou i jej współpracownicy będą nadal się doskonalićmodelować i badać przejście od początkowego generowania pola do fazy wzmacniania dynama. Naukowcy chcą także dowiedzieć się, czy proces ten może zachodzić w skali czasu zgodnej z obserwacjami astronomicznymi. Cytując badaczy: „Ta praca reprezentuje pierwszy krok w budowaniu nowego paradygmatu zrozumienia magnetogenezy we Wszechświecie.”
Czytaj więcej
Grawitacja i ciemna materia nie istnieją: najważniejsze w nowej pracy fizyków
Coś dziwnego dzieje się we Wszechświecie: jak wyjaśnić niespójności w stałej Hubble'a
Dlaczego tak naprawdę chcą anulować boloński system edukacji w Rosji?