Все астрофизические объекты, которые наблюдают люди, окружены магнитными полями. И не только в окрестностях звезд и планет, но и в глубоком космосе между галактиками и скоплениями. Да, эти поля очень слабые — обычно намного слабее, чем у магнита холодильника. Однако их динамическое значение оказывает глубокое влияние на жизнь Вселенной. Несмотря на десятилетия исследований, происхождение этих космических магнитных полей остается одной из самых глубоких загадок в космологии.
Магнитные поля повсюду
Естественные магнитные поля наблюдаются повсюду во Вселенной. Впервые их обнаружили на Земле тысячи лет назад благодаря их взаимодействию с намагниченными минералами. Они использовались для навигации задолго до того, как люди поняли их природу или происхождение. Магнетизм на Солнце открыли в начале ХХ века благодаря его влиянию на спектр света, излучаемого звездой. С тех пор, используя более мощные телескопы, наблюдавшие глубокий космос, ученые обнаружили, что эти поля повсюду.
И, хотя ученые уже давно научились изготавливать и использовать постоянные магниты и электромагниты, естественное происхождение этих полей во Вселенной оставалось загадкой. В ходе недавнего исследования ученые разгадали часть этой головоломки, однако многие аспекты этого вопроса все еще обсуждаются.
В предыдущих исследованиях ученые поняли, как турбулентность может усиливать ранее существовавшие магнитные поля посредством так называемого динамо-процесса. Но это открытие лишь вызвало больше вопросов. Если турбулентное динамо могло только усиливать существующее, то откуда взялось первичное, «зародышевое» магнитное поле?
В рамках новой работы ученые показали основные процессы, которые генерируют поле от полностью ненамагниченного состояния до точки, где оно достаточно сильное, чтобы механизм динамо усилил его до величин, которые можно наблюдать.
Эффект динамо и Вселенная без проводов
Ученые рассматривали способ создания электрических и магнитных полей в лаборатории. Когда проводники, такие как медная проволока, движутся в них, появляются электрические поля. Затем они могут управлять электрическими токами. Так вырабатывается электричество, которое люди используют каждый день. Благодаря этому процессу индукции большие генераторы или динамо-машины преобразуют механическую энергию в электромагнитную, питающую наши дома и офисы. Ключевой особенностью динамо-машин является то, что для их работы необходимы магнитные поля.
Но во Вселенной нет никаких проводов или больших стальных конструкций, так как же возникают поля? Прогресс в решении этой проблемы начался около века назад, когда ученые задумались над источником магнитного поля Земли. К тому времени исследования распространения сейсмических волн показали, что большая часть планет под более холодными поверхностными слоями мантии была жидкой. Также ученые поняли, что в Земле существовало ядро, состоящее из расплавленного никеля и железа. Исследователи предположили, что конвективное движение этой горячей электропроводящей жидкости и вращение планеты каким-то образом объединяются для создания земного поля.
В конце концов появились модели, которые показали, как конвективное движение может усиливать существующее поле. Это пример самоорганизации — свойства, часто наблюдаемого в сложных динамических системах, — где крупномасштабные структуры спонтанно вырастают из мелкомасштабной динамики. Но, как и на электростанции, вам нужно магнитное поле, чтобы создать магнитное поле.
Подобный процесс происходит во всей Вселенной. Однако в звездах и галактиках, а также в пространстве между ними, электропроводящей жидкостью является не расплавленный металл, а плазма. Это состояние вещества возникает, когда электроны отрываются от их атомов. На Земле плазму можно увидеть в виде молнии. В такой среде динамо-эффект может усиливать существующее магнитное поле, если оно начинается на каком-то минимальном уровне.
Моделирование первичных магнитных полей
Откуда взялось это первичное или минимальное магнитное поле? Чтобы это выяснить, ученые провели исследование, результаты которого публикует PNAS. Автор исследования, аспирант Массачусетского технологического института (МIT) Муни Чжоу разработала основную теорию и провела численное моделирование на мощных суперкомпьютерах, чтобы понять, какие фундаментальные процессы отвечают за появление минимального поля.
Предоставлено: Муни Чжоу и др.
Одно из важных свойств плазмы, которая существует между звездами и галактиками, — она сильно рассеяна, около одной частицы на кубический метр. При этом внутри звезд плотность частиц примерно на 30 порядков выше. Низкая плотность указывает на то, что частицы в космологической плазме никогда не сталкиваются, что оказывает важное влияние на их поведение.
Ученые отследили динамику в плазме, которая развивалась из хорошо упорядоченных волн, но становилась турбулентной по мере роста амплитуды, и взаимодействия становились сильно нелинейными. Включив детальное влияние динамики плазмы в малых масштабах на макроскопические астрофизические процессы, они продемонстрировали, что первичные магнитные поля могут спонтанно создаваться из-за общих крупномасштабных движений, таких простых, как сдвиговые потоки. Как и на Земле, механическая энергия преобразовывалась в магнитную.
Важным результатом их вычислений была амплитуда ожидаемого спонтанно генерируемого магнитного поля. Оказалось, она может вырастать с нуля до уровня, при котором плазма становится «намагниченной», то есть когда присутствие поля сильно влияет на ее динамику. В этот момент традиционный динамо-механизм может поднять поля до наблюдаемых уровней. Таким образом, новая работа представляет собой самосогласованную модель генерации магнитных полей в космологическом масштабе и объясняет, как они могли появиться «из ничего».
Что в итоге?
Профессор Эллен Цвейбель из Висконсинского университета в Мэдисоне, соавтор исследования, отмечает: «Несмотря на десятилетия прогресса в космологии, происхождение магнитных полей во Вселенной остается неизвестным. Приятно видеть современную теорию физики плазмы и численное моделирование, которое направлено на решение этой фундаментальной проблемы».
Чжоу и ее коллеги продолжат совершенствовать модель и изучать переход от генерации исходного поля к фазе усиления динамо-машины. Также ученые хотят выяснить, может ли этот процесс работать в масштабе времени, согласующемся с астрономическими наблюдениями. Цитируя исследователей, «эта работа представляет собой первый шаг в построении новой парадигмы для понимания магнитогенеза во Вселенной».
Читать далее
Гравитации и темной материи не существует: главное о новой работе физиков
Во Вселенной происходит что-то странное: как объяснить нестыковки в постоянной Хаббла
Почему Болонскую систему образования хотят отменять в России на самом деле