Visualization of filamentary seed magnetic fields emerging from large-scale motions
Когда мы смотрим в космос, все астрофизические объекты, которые мы видим, заключены в магнитные поля. Это верно не только в окрестностях звезд и планет, но и в глубоком космосе между галактиками и галактическими скоплениями. Эти поля слабы — обычно намного слабее, чем поля магнита на холодильник, — но они динамически значимы в том смысле, что оказывают глубокое влияние на динамику Вселенной. Несмотря на десятилетия интенсивного интереса и исследований, происхождение этих космических магнитных полей остается одной из самых глубоких загадок в космологии. В ходе предыдущих исследований ученые пришли к пониманию того, как турбулентность, вспенивающее движение, характерное для жидкостей всех типов, может усиливать ранее существовавшие магнитные поля посредством так называемого динамо-процесса. Но это замечательное открытие только подтолкнуло загадку еще на один шаг глубже. Если турбулентная динамо-машина может только усиливать существующее поле, откуда вообще взялось «исходное» магнитное поле? У нас не было бы полного и самосогласованного ответа на вопрос о происхождении астрофизических магнитных полей, пока мы не поймем, как возникли поля-затравки.
Новая работа, проведенная аспиранткой Массачусетского технологического института Муни Чжоу, ее советником Нуно Лорейро, профессором ядерной науки и техники Массачусетского технологического института, и коллегами из Принстонского университета и Университета Колорадо в Боулдере, дает ответ, который показывает основные процессы, которые генерируют поле из полностью немагнитного состояния до точки, где оно является достаточно сильным для того, чтобы динамо-механизм взял верх и усилил поле до тех величин, которые мы наблюдаем.
Магнитные поля повсюду
Естественные магнитные поля наблюдаются повсюду во Вселенной. Впервые они были обнаружены на Земле тысячи лет назад благодаря их взаимодействию с намагниченными минералами, такими как магнетит, и использовались для навигации задолго до того, как люди получили какое-либо представление об их природе или происхождении. Магнетизм на солнце был обнаружен в начале 20-го века благодаря его влиянию на спектр света, излучаемого солнцем. С тех пор более мощные телескопы, заглядывающие глубоко в космос, обнаружили, что поля были повсеместны. И хотя ученые давно научились изготавливать и использовать постоянные магниты и электромагниты, которые имели всевозможные практические применения, естественное происхождение магнитных полей во Вселенной оставалось загадкой. Недавняя работа дала часть ответа, но многие аспекты этого вопроса все еще находятся в стадии обсуждения.
Усиление магнитных полей — эффект динамо-машины
Ученые начали задумываться над этой проблемой, рассмотрев способ создания электрических и магнитных полей в лаборатории. Когда проводники, такие как медная проволока, движутся в магнитных полях, создаются электрические поля. Эти поля, или напряжения, могут затем приводить в действие электрические токи. Именно так вырабатывается электричество, которое мы используем каждый день. Благодаря этому процессу индукции большие генераторы или «динамо-машины» преобразуют механическую энергию в электромагнитную энергию, которая питает наши дома и офисы. Ключевой особенностью динамо-машин является то, что для их работы необходимы магнитные поля. Но во вселенной нет очевидных проводов или больших стальных конструкций, так как же возникают поля? Прогресс в решении этой проблемы начался около столетия назад, когда ученые задумались над источником магнитного поля Земли. К тому времени исследования распространения сейсмических волн показали, что большая часть Земли под более холодными поверхностными слоями мантии была жидкой и что там было ядро, состоящее из расплавленного никеля и железа. Исследователи предположили, что конвективное движение этой горячей, электропроводящей жидкости и вращение Земли каким-то образом объединились, чтобы создать поле Земли. В конце концов появились модели, которые показали, как конвективное движение может усилить существующее поле. Это пример «самоорганизации» — особенности, часто наблюдаемой в сложных динамических системах, — когда крупномасштабные структуры спонтанно вырастают из мелкомасштабной динамики. Но точно так же, как на электростанции, вам нужно магнитное поле, чтобы создать магнитное поле.
Подобный процесс происходит по всей Вселенной. Однако в звездах и галактиках, а также в пространстве между ними электропроводящей жидкостью является не расплавленный металл, а плазма — состояние вещества, которое существует при чрезвычайно высоких температурах, когда электроны отрываются от своих атомов. На Земле плазму можно увидеть в виде молний или неоновых огней. В такой среде эффект динамо-машины может усилить существующее магнитное поле при условии, что оно начинается с некоторого минимального уровня.
Создание первых магнитных полей
Откуда берется это семенное поле? Вот тут-то и пригодится недавняя работа Чжоу и ее коллег, опубликованная 5 мая в PNAS. Чжоу разработал лежащую в основе теорию и провел численное моделирование на мощных суперкомпьютерах, которые показывают, как можно создать семенное поле и какие фундаментальные процессы при этом происходят. Важным аспектом плазмы, которая существует между звездами и галактиками, является то, что она чрезвычайно рассеяна — обычно около одной частицы на кубический метр. Это сильно отличается от ситуации внутри звезд, где плотность частиц примерно на 30 порядков выше. Низкие плотности означают, что частицы в космологической плазме никогда не сталкиваются, что оказывает важное влияние на их поведение, которое должно было быть включено в модель, разрабатываемую этими исследователями. Расчеты, выполненные исследователями Массачусетского технологического института, отслеживали динамику в этой плазме, которая развивалась из хорошо упорядоченных волн, но становилась турбулентной по мере увеличения амплитуды, а взаимодействия становились сильно нелинейными. Включив подробное влияние динамики плазмы в малых масштабах на макроскопические астрофизические процессы, они продемонстрировали, что первые магнитные поля могут быть спонтанно созданы с помощью общих крупномасштабных движений, таких же простых, как сдвиговые потоки. Точно так же, как и в земных примерах, механическая энергия была преобразована в магнитную энергию. Важным результатом их вычислений была амплитуда ожидаемого спонтанно генерируемого магнитного поля. Это показало, что амплитуда поля может увеличиваться с нуля до уровня, при котором плазма «намагничена», то есть там, где на динамику плазмы сильно влияет присутствие поля. На этом этапе традиционный механизм динамо-машины может взять верх и поднять поля до наблюдаемых уровней. Таким образом, их работа представляет собой самосогласованную модель генерации магнитных полей в космологическом масштабе.
Профессор Эллен Цвейбель из Висконсинского университета в Мэдисоне отмечает, что «несмотря на десятилетия замечательного прогресса в космологии, происхождение магнитных полей во Вселенной остается неизвестным. Замечательно видеть, как современная теория физики плазмы и численное моделирование применяются для решения этой фундаментальной проблемы». Чжоу и его коллеги продолжат совершенствовать свою модель и изучать передачу данных от генерации семенного поля к фазе усиления динамо-машины. Важной частью их будущих исследований будет определение того, может ли этот процесс работать в масштабе времени, совместимом с астрономическими наблюдениями. По словам исследователей, «Эта работа представляет собой первый шаг в построении новой парадигмы для понимания магнитогенеза во Вселенной». https://phys.org/news/2022-05-universe-magnetic-field.html
Автор: Martin Greenwald
More information: Muni Zhou et al, Spontaneous magnetization of collisionless plasma, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2119831119 Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences