Ученые из Университета Висконсина-Мэдисон совершили прорыв в астрофизике, определив механизм, объясняющий, как из хаоса космической турбулентности рождаются упорядоченные крупномасштабные магнитные поля. Результаты, полученные с помощью одной из самых сложных в истории компьютерных симуляций и опубликованные в журнале Nature, открывают новые перспективы для понимания множества явлений — от слияния нейтронных звезд до прогнозирования солнечной активности.

Прорыв после семидесяти лет научных поисков

Магнитные поля пронизывают Вселенную: они управляют солнечным ветром, участвуют в формировании галактик и влияют на движение частиц высоких энергий. Однако их природа десятилетиями оставалась для ученых загадкой. Главный парадокс состоял в следующем: наблюдаемые в космосе поля крупномасштабны и упорядочены, тогда как все существующие теории предсказывали, что турбулентность плазмы способна порождать лишь мелкомасштабный хаотичный магнетизм.

«Проблема генерации магнитных полей изучалась на протяжении 70 лет, и разочаровывающий результат был почти всегда один: смоделированные поля получались мелкомасштабными и крайне неупорядоченными, что противоречит наблюдениям, — объясняет Пол Терри, профессор физики в UW–Madison и старший автор исследования. — Эта работа потенциально решает давнюю проблему».

Исследовательская группа под руководством Биндеша Трипати, научного сотрудника Колумбийского университета, предложила новый подход, основанный на двух ключевых идеях. Ученые предположили, что недостающий элемент — это постоянный градиент скорости, который возникает, когда разные слои газа или плазмы движутся с разной скоростью. Подобное происходит, например, в недрах Солнца или при слиянии нейтронных звезд.

Критическая роль устойчивых градиентов скорости

«Учитывая, что турбулентность известна как разрушительный агент, оставался вопрос: как она может создавать что-то конструктивное и крупномасштабное?» — говорит Трипати. Ответ заключается в поддержании устойчивого градиента скорости.

С помощью беспрецедентной по своему масштабу симуляции использующей около половины мощностей суперкомпьютера Anvil в Университете Пердью, команда смоделировала поведение плазмы в сетке из 137 миллиардов точек. За почти 100 миллионов процессор-часов было сгенерировано 0.25 петабайта данных. Результат оказался однозначным: при наличии в модели устойчивого градиента скорости изначально хаотичные магнитные вихри со временем самоорганизовывались в единое упорядоченное поле. В симуляциях, где градиент скорости затухал, этого не происходило — оставался лишь хаос.

«Так что это и есть главный ключ: наличие устойчивого, крупномасштабного градиента скорости», — подчеркивает Трипати.

От лаборатории до космоса

Хотя напрямую проверить теорию в далеком космосе пока невозможно, она уже нашла подтверждение в земных условиях. Выяснилось, что новая модель точно описывает результаты лабораторного эксперимента 2012 года, проведенного в Wisconsin Plasma Physics Laboratory. Данные того эксперимента противоречили всем теориям, существовавшим на тот момент, но теперь идеально вписываются в новую модель.

Потенциал практического применения открытия огромен. «Эта работа может объяснить динамику магнитных полей, возникающих, например, при слиянии нейтронных звезд и формировании черных дыр, что имеет прямое отношение к мультимессенджерной астрономии», — отмечает Трипати. Кроме того, это поможет лучше понимать магнитные поля звезд и точнее прогнозировать выбросы солнечной плазмы в сторону Земли, влияющие на нашу «космическую погоду».

Когда делали процедуру УВЧ в детстве (горло грели), медсестра подносила к излучателю палочку из чёрной пластмассы. На конце начинала светится лампочка загадочным оранжевым светом.

Как-то отец принёс с работы неоновую индикаторную лампочку. Я развлекался с ней: в темноте проводил по наэлектризованному свитеру, через колбу лампочки проскакивали оранжевые разряды. Это явление ударной ионизации. Электроны ускоренные электромагнитным полем выбивают из атомов неона новые электроны, возникает лавинообразный процесс: число свободных электронов и ионов быстро нарастает — газ становится плазмой (проводящей средой). Вспышки были слабые, еле различались в темноте.

Я решил, что нужно взять с собой неонку на сеанс физиотерапии. Горло в детстве болело часто, ждать долго не пришлось, меня направили на физиотерапию. После того как медсестра приложила электроды к моему многострадальному горлу она включила генератор радиочастоты. Эти электроды можно было прикладывать не только к горлу, но и к пояснице, переносице, а может ещё куда.

Моё горло стало потихоньку поджариваться токами Фуко протекающими в мышцах, гортани и кровеносных сосудах. Сестра перевернула песочные часы на генераторе, задёрнула занавеску (весь кабинет был перегорожен занавесками для спокойствия пациентов) и ушла на пост. На посту стояли специальные часы которые отслеживали время процедур сразу для разных пациентов. Достаточно было поставить фишку с номером отсека в одно из 60 гнёзд на циферблате. По истечении времени, когда минутная стрелка указывала на фишку, раздавался сигнал зуммера, довольно мерзкий, как и многие звуковые сигналы в советское время.

Дождавшись когда сестра ушла, я нащупал в кармане лампочку, достал её и приложил к проводу идущему к излучателю от генератору. Чудо, лампа засветилась ярким оранжевым светом. Без проводов, без патрона. Мой естественнонаучный интерес был удовлетворён. Песок в часах покинул верхний отсек, на посту затрещал зуммер, сеанс прожарки RF генератором был закончен. Заряженный радиоэнергией я побежал по унылым (как и многое в СССР) осенним лужам домой.

Эй, земляне! С новым витком вокруг Солнца!

Да осветит плазма ваш путь!
И пусть следующий виток принесет больше положительных переживаний и нам всем это понравится

С Новым Годом! :)