Alla astrofysiska objekt som människor observerar är omgivna av magnetfält. Och inte bara i det omgivande området
Magnetiska fält överallt
Naturliga magnetfält finns överallti universum. De upptäcktes först på jorden för tusentals år sedan på grund av deras interaktion med magnetiserade mineraler. De användes för navigering långt innan människor förstod sin natur eller ursprung. Magnetism i solen upptäcktes i början av 1900-talet på grund av dess inverkan på ljusspektrumet som stjärnan sänder ut. Sedan dess, med hjälp av kraftfullare teleskop för att observera rymden, har forskare upptäckt att dessa fält finns överallt.
Och även om forskarna länge har lärt sigtillverkning och användning av permanentmagneter och elektromagneter, det naturliga ursprunget för dessa fält i universum förblev ett mysterium. I en nyligen genomförd studie har forskare löst en del av detta pussel, men många aspekter av frågan diskuteras fortfarande.
I tidigare studier har forskare förstått hurturbulens kan stärka redan existerande magnetfält genom den så kallade dynamoprocessen Men denna upptäckt väckte bara fler frågor.
Som en del av det nya arbetet har forskare visat det viktigasteprocesser som genererar ett fält från ett helt omagnetiserat tillstånd till en punkt där det är tillräckligt starkt för att dynamomekanismen ska kunna förstärka det till observerbara magnituder.
Dynamoeffekt och universum utan sladdar
Forskare har funderat på hur man skaparelektriska och magnetiska fält i laboratoriet. När ledare som koppartråd rör sig genom dem skapas elektriska fält. De kan då styra elektriska strömmar. Detta genererar den el som människor använder varje dag. Genom denna induktionsprocess omvandlar stora generatorer eller dynamos mekanisk energi till elektromagnetisk energi, som driver våra hem och kontor. Det viktigaste med dynamos är att de kräver magnetfält för att fungera.
Men det finns inga ledningar i universumeller stora stålkonstruktioner, så hur uppstår fält? Framsteg för att lösa detta problem började för ungefär ett sekel sedan, när forskare började fundera på källan till jordens magnetfält. Då hade studier av seismisk vågutbredning visat att de flesta av planeterna under mantelns kallare ytskikt var flytande. Forskare insåg också att det fanns en kärna i jorden bestående av smält nickel och järn. Forskarna antog att den konvektiva rörelsen hos denna heta, elektriskt ledande vätska och planetens rotation på något sätt kombineras för att skapa jordens fält.
Så småningom dök det upp modellervisade hur konvektiv rörelse kan förstärka ett befintligt fält. Detta är ett exempel på självorganisering – en egenskap som ofta observeras i komplexa dynamiska system – där storskaliga strukturer spontant växer fram ur småskalig dynamik. Men precis som ett kraftverk behöver du ett magnetfält för att skapa ett magnetfält.
En liknande process sker genomgåendeUniversum. Men i stjärnor och galaxer, och även i utrymmet mellan dem, är den elektriskt ledande vätskan inte smält metall, utan plasma. Detta tillstånd av materia uppstår när elektroner tas bort från sina atomer. På jorden kan plasma ses i form av blixtar. I en sådan miljö kan dynamoeffekten förstärka det befintliga magnetfältet om det startar på någon miniminivå.
Simulering av primära magnetfält
Var kom denna primära eller minimala ifrån?ett magnetfält? För att ta reda på det genomförde forskare en studie, vars resultat publiceras av PNAS. Studieförfattaren och MIT-studenten Moonee Zhou utvecklade den grundläggande teorin och genomförde numeriska simuleringar på kraftfulla superdatorer för att förstå vilka grundläggande processer som är ansvariga för utseendet på minimifältet.
Visualisering av filamentära primära magnetiska fält som är ett resultat av storskaliga rörelser av omagnetiserad plasma.
Kredit: Muni Zhou et al.
En av plasmans viktiga egenskaper som finnsmellan stjärnor och galaxer - den är mycket spridd, ungefär en partikel per kubikmeter. Dessutom, inuti stjärnor är tätheten av partiklar ungefär 30 storleksordningar högre. Den låga densiteten indikerar att partiklar i kosmologiska plasma aldrig kolliderar, vilket har en viktig effekt på deras beteende.
Forskare spårade dynamiken i plasma, vilketutvecklades från välordnade vågor, men blev turbulenta när amplituden ökade och interaktionerna blev mycket olinjära. Genom att införliva den detaljerade påverkan av småskalig plasmadynamik på makroskopiska astrofysiska processer, visade de att primordiala magnetfält kan genereras spontant på grund av generella storskaliga rörelser så enkla som skjuvflöden. Som på jorden omvandlades mekanisk energi till magnetisk energi.
Ett viktigt resultat av deras beräkningar varamplituden av det förväntade spontant genererade magnetfältet. Det visade sig att det kan växa från noll till den nivå där plasman blir "magnetiserad", det vill säga när närvaron av fältet starkt påverkar dess dynamik. Vid denna tidpunkt kan en traditionell dynamomekanism höja fälten till observerbara nivåer. Sålunda presenterar det nya verket en självständig modell för generering av magnetiska fält i kosmologisk skala och förklarar hur de kan uppstå "ur ingenting."
Vad är slutresultatet?
Professor Ellen Zweibel från WisconsinUniversity of Madison, medförfattare till studien, konstaterar: "Trots decennier av framsteg inom kosmologi är ursprunget till magnetfält i universum fortfarande okänt. Det är trevligt att se modern plasmafysikteori och numeriska simuleringar som syftar till att lösa detta grundläggande problem."
Zhou och hennes kollegor kommer att fortsätta att förbättra sigmodellera och studera övergången från den initiala fältgenereringen till dynamoförstärkningsfasen. Forskarna vill också ta reda på om denna process kan fungera på en tidsskala som överensstämmer med astronomiska observationer. För att citera forskarna, "Detta arbete representerar det första steget i att bygga ett nytt paradigm för att förstå magnetogenes i universum."
Läs mer
Gravitation och mörk materia existerar inte: det viktigaste med fysikernas nya arbete
Något konstigt händer i universum: hur man förklarar inkonsekvenser i Hubble-konstanten
Varför vill de egentligen avbryta utbildningssystemet Bologna i Ryssland