Ερευνητές εντόπισαν έναν πιθανό μηχανισμό που εξηγεί πώς το στροβιλώδες πλάσμα μπορεί να παράγει τα αχανή, οργανωμένα μαγνητικά πεδία που παρατηρούνται σε όλο το σύμπαν.
Τα κοσμικά μαγνητικά πεδία βρίσκονται παντού, αλλά η προέλευσή τους παρέμενε ένα από τα πιο επίμονα μυστήρια της αστροφυσικής πλάσματος.
Πλανήτες, αστέρια και γαλαξίες παράγουν όλοι μαγνητικά πεδία, και αυτά τα πεδία βοηθούν στη διαμόρφωση του ηλιακού ανέμου, κατευθύνουν τα σωματίδια υψηλής ενέργειας και επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται οι γαλαξίες.
Από το χάος στην τάξη: Πώς το πλάσμα δημιουργεί δομή
Σε μικρότερες κλίμακες, τα μαγνητικά πεδία τείνουν να είναι στροβιλώδη και χαοτικά. Σε μεγαλύτερες κλίμακες, ωστόσο, εμφανίζονται οργανωμένα και δομημένα. Η εξήγηση του πώς προκύπτουν εύτακτα μαγνητικά πεδία από τη στροβιλώδη κίνηση παραμένει μια μεγάλη πρόκληση στην αστροφυσική πλάσματος εδώ και δεκαετίες.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, ερευνητές με επικεφαλής επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison χρησιμοποίησαν προηγμένες προσομοιώσεις υπολογιστών για να διερευνήσουν τις ροές πλάσματος.
Τα αποτελέσματά τους δείχνουν ότι το στροβιλώδες πλάσμα μπορεί επίσης να σχηματίσει δομημένη κίνηση μέσω πιδάκων μεγάλης κλίμακας. Οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν έναν νέο μηχανισμό που θα μπορούσε να εξηγήσει πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται τα μαγνητικά πεδία. Η διαδικασία αυτή ενδέχεται να εφαρμόζεται σε πολλά αστροφυσικά περιβάλλοντα, με πιθανές προεκτάσεις για τον διαστημικό καιρό και την αστρονομία πολλαπλών αγγελιοφόρων (multimessenger astronomy).
«Τα μαγνητικά πεδία σε όλο το σύμπαν είναι μεγάλης κλίμακας και οργανωμένα, αλλά η κατανόησή μας για το πώς δημιουργούνται είναι ότι προέρχονται από κάποιου είδους στροβιλώδη κίνηση», λέει ο κύριος συγγραφέας της μελέτης, Bindesh Tripathi, πρώην διδακτορικός φοιτητής φυσικής στο UW–Madison και νυν μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Columbia. «Δεδομένου ότι η τύρβη είναι γνωστή ως καταστροφικός παράγοντας, παραμένει το ερώτημα: πώς δημιουργεί ένα εποικοδομητικό πεδίο μεγάλης κλίμακας;»
Από τις ροές ρευστών στις μαγνητικές δομές
Πριν μελετήσει τα τρισδιάστατα (3D) μαγνητικά πεδία, ο Tripathi εξέτασε συστήματα που περιλαμβάνουν υδροδυναμικές ροές και δισδιάστατα (2D) μαγνητικά πεδία. Ενώ επανεξέταζε οπτικοποιήσεις της τρισδιάστατης μαγνητικής τύρβης, παρατήρησε ότι τα σχήματα των ροών πλάσματος μεγάλης κλίμακας έμοιαζαν με τις δομές που σχηματίζουν τα μαγνητικά πεδία μεγάλης κλίμακας.
Ωστόσο, η μεταφορά ιδεών από τη δυναμική των ρευστών στη θεωρία των μαγνητικών πεδίων δεν ήταν απλή υπόθεση. Τα προβλήματα ροής ρευστών μπορούν συχνά να μοντελοποιηθούν σε δύο διαστάσεις, αλλά η δημιουργία μαγνητικού πεδίου πρέπει να επιλυθεί σε τρεις διαστάσεις. Αυτό καθιστά το πρόβλημα σημαντικά πιο περίπλοκο και υπολογιστικά απαιτητικό.
Η ανατομία της ταχύτητας: Το μυστικό κρύβεται στις βαθμίδες
Για να αντιμετωπίσουν αυτή την πρόκληση, ο Tripathi και οι συνεργάτες του τροποποίησαν την προσέγγιση που χρησιμοποιήθηκε σε προηγούμενες μελέτες με δύο σημαντικούς τρόπους.
Πρώτον, εισήγαγαν στις προσομοιώσεις τους μια βαθμίδα ταχύτητας (velocity gradient) που ανανεωνόταν συνεχώς. Μια απλή αναλογία είναι ένας ποδηλάτης που πέφτει πάνω σε ένα κράσπεδο.
Οι τροχοί σταματούν απότομα, αλλά η ορμή του αναβάτη προς τα εμπρός μπορεί να τον εκσφενδονίσει πάνω από το τιμόνι. Αυτή η απότομη αλλαγή στην ταχύτητα είναι ένα παράδειγμα βαθμίδας ταχύτητας.
Τέτοιες βαθμίδες είναι κοινές σε όλο το σύμπαν. Μπορούν να εμφανιστούν ανάμεσα σε στρώματα στο εσωτερικό του ήλιου ή κατά τη διάρκεια ακραίων γεγονότων, όπως οι συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων. Οι ερευνητές υποψιάστηκαν ότι η συμπερίληψη αυτού του φαινομένου ίσως είναι απαραίτητη για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αναπτύσσονται τα τρισδιάστατα μαγνητικά πεδία.
Τεράστιες προσομοιώσεις αποκαλύπτουν την αναδυόμενη τάξη
Η δεύτερη αλλαγή αφορούσε την υπολογιστική κλίμακα. Η ομάδα εκτέλεσε αυτό που ίσως αποτελεί την πιο λεπτομερή προσομοίωση μέχρι σήμερα για τον σχηματισμό μαγνητικών πεδίων σε πλάσμα με ασταθή βαθμίδα ταχύτητας.
Το μοντέλο τους χρησιμοποίησε 137 δισεκατομμύρια σημεία πλέγματος στον τρισδιάστατο χώρο. Συνολικά, οι ερευνητές πραγματοποίησαν περίπου 90 προσομοιώσεις, παράγοντας περίπου 0,25 petabytes δεδομένων. Οι υπολογισμοί κατανάλωσαν σχεδόν 100 εκατομμύρια ώρες CPU στον υπερυπολογιστή Anvil του Πανεπιστημίου Purdue.
«Ξεκινάμε τις προσομοιώσεις μας με μια ροή που έχει βαθμίδα ταχύτητας, στη συνέχεια προσθέτουμε κάποιες μικροσκοπικές διαταραχές, όπως η απειροελάχιστη μετακίνηση ενός σωματιδίου ρευστού, αφήνουμε αυτή τη διαταραχή να διαδοθεί στο σύστημα και να αναπτυχθεί, και μετά αναλύουμε τα δεδομένα με την πάροδο του χρόνου», λέει ο Tripathi.
«Αρχικά, αυτές οι διαταραχές οδηγούν σε στροβιλώδεις ροές και μαγνητικά πεδία σε δομές μικρής κλίμακας, στη συνέχεια όμως, με την πάροδο του χρόνου, εξελίσσονται σε μεγαλύτερες, οργανωμένες δομές». Όταν η ομάδα επανέλαβε τις προσομοιώσεις επιτρέποντας στην αρχική βαθμίδα ταχύτητας να εξασθενήσει με τον χρόνο, τα αποτελέσματα άλλαξαν δραματικά.
Αντί να σχηματιστούν μοτίβα μεγάλης κλίμακας, το σύστημα παρήγαγε μόνο χαοτικές δομές σε μικρές κλίμακες. «Αυτό είναι λοιπόν το βασικό κλειδί: να υπάρχει μια σταθερή βαθμίδα ταχύτητας μεγάλης κλίμακας», τονίζει ο ίδιος.
Επιλύοντας ένα πρόβλημα “δυναμό” 70 ετών
Ο Paul Terry, καθηγητής φυσικής στο UW-Madison και κύριος συγγραφέας της μελέτης, προσθέτει: «Η δημιουργία μαγνητικού πεδίου μέσω δυναμό έχει μελετηθεί εκτενώς εδώ και 70 χρόνια, με το απογοητευτικό αποτέλεσμα ότι τα πεδία που δημιουργούνται καταλήγουν σχεδόν πάντα σε μικρές κλίμακες και είναι εξαιρετικά άτακτα, αντίθετα με τις παρατηρήσεις. Αυτή η εργασία, επομένως, ενδεχομένως επιλύει ένα μακροχρόνιο ζήτημα».
Αν και οι επιστήμονες δεν μπορούν να δοκιμάσουν απευθείας τη θεωρία σε μακρινά κοσμικά περιβάλλοντα, εργαστηριακά πειράματα παρέχουν υποστηρικτικά στοιχεία. Το 2012, ερευνητές στο Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος του Ουισκόνσιν (Wisconsin Plasma Physics Laboratory) διεξήγαγαν πειράματα για να μελετήσουν πώς σχηματίζονται τα μαγνητικά πεδία.
Τα αποτελέσματα δεν ταυτίζονταν με τις προβλέψεις των υπαρχόντων θεωρητικών μοντέλων. Ο νέος μηχανισμός που προτάθηκε από τον Tripathi και τους συνεργάτες του ευθυγραμμίζεται πολύ περισσότερο με εκείνες τις πειραματικές μετρήσεις και βοηθά στην ερμηνεία των παλαιότερων αινιγματικών δεδομένων.
«Η εργασία αυτή, έχει τη δυνατότητα να εξηγήσει τη μαγνητική δυναμική που σχετίζεται, για παράδειγμα, με τις συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων και τον σχηματισμό μαύρων τρυπών, με άμεσες εφαρμογές στην αστρονομία πολλαπλών αγγελιοφόρων», λέει ο Tripathi. «Μπορεί επίσης να βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση των αστρικών μαγνητικών πεδίων και στην πρόβλεψη των εκτινάξεων αερίων από τον ήλιο προς τη Γη».