Sådan fik universet sit magnetfelt

Når vi ser ud i rummet, er alle de astrofysiske objekter, vi ser, indlejret i magnetiske felter. Dette gælder ikke kun i nærheden af ​​stjerner og planeter, men også i det dybe rum mellem galakser og galaktiske hobe. Disse felter er svage - typisk meget svagere end dem i en køleskabsmagnet - men de er dynamisk betydningsfulde i den forstand, at de har dybtgående virkninger på universets dynamik. På trods af årtiers intens interesse og forskning forbliver oprindelsen af ​​disse kosmiske magnetfelter et af de mest dybtgående mysterier i kosmologi.

I tidligere forskning kom videnskabsmænd til at forstå, hvordan turbulens, den cirkulerende bevægelse, der er fælles for væsker af alle typer, kunne forstærke allerede eksisterende magnetiske felter gennem den såkaldte dynamo-proces. Men denne bemærkelsesværdige opdagelse skubbede bare mysteriet et skridt dybere. Hvis en turbulent dynamo kun kunne forstærke et eksisterende felt, hvor kom så "frø"-magnetfeltet fra i første omgang?

Vi ville ikke have et komplet og selvkonsekvent svar på oprindelsen af ​​astrofysiske magnetfelter, før vi forstod, hvordan frøfelterne opstod. Nyt arbejde udført af MIT kandidatstuderende Muni Zhou, hendes rådgiver Nuno Loureiro, professor i nuklear videnskab og teknik ved MIT, og kolleger ved Princeton University og University of Colorado i Boulder giver et svar, der viser de grundlæggende processer, der genererer et felt fra en fuldstændig umagnetiseret tilstand til det punkt, hvor den er stærk nok til, at dynamomekanismen kan overtage og forstærke feltet til de størrelser, som vi observerer.

Magnetiske felter er overalt

Naturligt forekommende magnetfelter ses overalt i universet. De blev først observeret på Jorden for tusinder af år siden, gennem deres interaktion med magnetiserede mineraler som lodestone, og brugt til navigation længe før folk havde nogen forståelse af deres natur eller oprindelse. Magnetisme på solen blev opdaget i begyndelsen af ​​det 20. århundrede ved dets indvirkning på lysspektret, som solen udsendte. Siden da har kraftigere teleskoper, der kigger dybt ud i rummet, fundet ud af, at felterne var allestedsnærværende.

Og mens videnskabsmænd længe havde lært at lave og bruge permanente magneter og elektromagneter, som havde alle mulige praktiske anvendelser, forblev den naturlige oprindelse af magnetiske felter i universet et mysterium. Det seneste arbejde har givet en del af svaret, men mange aspekter af dette spørgsmål er stadig under debat.

Forstærkende magnetiske felter – dynamoeffekten

Forskere begyndte at tænke over dette problem ved at overveje, hvordan elektriske og magnetiske felter blev produceret i laboratoriet. Når ledere, som kobbertråd, bevæger sig i magnetiske felter, skabes elektriske felter. Disse felter eller spændinger kan så drive elektriske strømme. Sådan bliver den strøm, vi bruger hver dag, produceret. Gennem denne induktionsproces omdanner store generatorer eller "dynamoer" mekanisk energi til den elektromagnetiske energi, der driver vores hjem og kontorer. Et nøgletræk ved dynamoer er, at de har brug for magnetiske felter for at fungere.

Men ude i universet er der ingen tydelige ledninger eller store stålkonstruktioner, så hvordan opstår felterne? Fremskridt med dette problem begyndte for omkring et århundrede siden, da videnskabsmænd overvejede kilden til Jordens magnetfelt. På det tidspunkt viste undersøgelser af udbredelsen af ​​seismiske bølger, at meget af Jorden, under de køligere overfladelag af kappen, var flydende, og at der var en kerne bestående af smeltet nikkel og jern. Forskere teoretiserede, at den konvektive bevægelse af denne varme, elektrisk ledende væske og jordens rotation kombinerede på en eller anden måde for at generere Jordens felt.

Til sidst dukkede modeller op, der viste, hvordan den konvektive bevægelse kunne forstærke et eksisterende felt. Dette er et eksempel på "selvorganisering" - en funktion, der ofte ses i komplekse dynamiske systemer - hvor store strukturer vokser spontant fra småskala dynamik. Men ligesom i et kraftværk havde man brug for et magnetfelt for at lave et magnetfelt.

En lignende proces er i gang overalt i universet. Men i stjerner og galakser og i rummet mellem dem er den elektrisk ledende væske ikke smeltet metal, men plasma - en stoftilstand, der eksisterer ved ekstremt høje temperaturer, hvor elektronerne rives væk fra deres atomer. På Jorden kan plasmaer ses i lyn- eller neonlys. I et sådant medium kan dynamoeffekten forstærke et eksisterende magnetfelt, forudsat at det starter på et minimumsniveau.

Lav de første magnetfelter

Hvor kommer denne frømark fra? Det er her Zhou og hendes kollegers seneste arbejde, offentliggjort den 5. maj i PNAS , kommer ind. Zhou udviklede den bagvedliggende teori og udførte numeriske simuleringer på kraftige supercomputere, der viser, hvordan frømarken kan produceres, og hvilke fundamentale processer der er i gang. Et vigtigt aspekt af det plasma, der eksisterer mellem stjerner og galakser, er, at det er ekstraordinært diffust - typisk omkring en partikel pr. kubikmeter. Det er en meget anderledes situation end stjernernes indre, hvor partikeltætheden er omkring 30 størrelsesordener højere. De lave tætheder betyder, at partiklerne i kosmologiske plasmaer aldrig kolliderer, hvilket har vigtige effekter på deres adfærd, som skulle indgå i den model, som disse forskere var ved at udvikle.

Beregninger udført af MIT-forskerne fulgte dynamikken i disse plasmaer, som udviklede sig fra velordnede bølger, men blev turbulente, efterhånden som amplituden voksede, og vekselvirkningerne blev stærkt ikke-lineære. Ved at inkludere detaljerede effekter af plasmadynamikken i små skalaer på makroskopiske astrofysiske processer, demonstrerede de, at de første magnetiske felter kan produceres spontant gennem generiske bevægelser i stor skala, så simple som forskydne strømme. Ligesom de jordiske eksempler blev mekanisk energi omdannet til magnetisk energi.

Et vigtigt output af deres beregning var amplituden af ​​det forventede spontant genererede magnetfelt. Hvad dette viste var, at feltamplituden kunne stige fra nul til et niveau, hvor plasmaet er "magnetiseret" - det vil sige, hvor plasmadynamikken er stærkt påvirket af tilstedeværelsen af ​​feltet. På dette tidspunkt kan den traditionelle dynamo-mekanisme tage over og hæve felterne til de niveauer, der observeres. Deres arbejde repræsenterer således en selvkonsistent model for generering af magnetiske felter i kosmologisk skala.

Professor Ellen Zweibel fra University of Wisconsin i Madison bemærker, at "på trods af årtiers bemærkelsesværdige fremskridt inden for kosmologi, er oprindelsen af ​​magnetiske felter i universet stadig ukendt. Det er vidunderligt at se state-of-the-art plasmafysik teori og numerisk simulering bragt i anvendelse på dette grundlæggende problem."

Zhou og kolleger vil fortsætte med at forfine deres model og studere overdragelsen fra genereringen af ​​frøfeltet til dynamoens forstærkningsfase. En vigtig del af deres fremtidige forskning vil være at afgøre, om processen kan fungere på en tidsskala, der stemmer overens med astronomiske observationer. For at citere forskerne, "Dette arbejde giver det første skridt i opbygningen af ​​et nyt paradigme til forståelse af magnetogenese i universet." + Udforsk yderligere

Øjeblikkelig omsætning af magnetisme ved gyrobevægelse af relativistiske elektroner

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.