Πώς το σύμπαν απέκτησε το μαγνητικό του πεδίο

Η προέλευση αυτών των κοσμικών μαγνητικών πεδίων παραμένει ένα από τα πιο βαθιά μυστήρια στην κοσμολογία.
.
.
Rendering courtesy of the researchers

Όταν κοιτάμε προς το διάστημα, όλα τα αστροφυσικά αντικείμενα που βλέπουμε είναι ενσωματωμένα σε μαγνητικά πεδία. Αυτό ισχύει όχι μόνο στη γειτονιά των αστεριών και των πλανητών, αλλά και στο βαθύ διάστημα μεταξύ γαλαξιών και γαλαξιακών σμηνών. Αυτά τα πεδία είναι αδύναμα - συνήθως πολύ πιο αδύναμα από αυτά ενός μαγνήτη ψυγείου - αλλά είναι δυναμικά σημαντικά με την έννοια ότι έχουν βαθιές επιπτώσεις στη δυναμική του σύμπαντος. Παρά τις δεκαετίες έντονου ενδιαφέροντος και έρευνας, η προέλευση αυτών των κοσμικών μαγνητικών πεδίων παραμένει ένα από τα πιο βαθιά μυστήρια στην κοσμολογία.

Σε προηγούμενη έρευνα, οι επιστήμονες κατέληξαν να κατανοήσουν πώς οι αναταράξεις, η κίνηση αναδόμησης που είναι κοινή σε υγρά όλων των τύπων, θα μπορούσε να ενισχύσει τα προϋπάρχοντα μαγνητικά πεδία μέσω της λεγόμενης διαδικασίας δυναμό. Αλλά αυτή η αξιοσημείωτη ανακάλυψη απλώς έσπρωξε το μυστήριο ένα βήμα πιο βαθιά. Εάν ένα τυρβώδες δυναμό θα μπορούσε να ενισχύσει μόνο ένα υπάρχον πεδίο, από πού προήλθε αρχικά το μαγνητικό πεδίο «σπόρων»;

Δεν θα είχαμε μια πλήρη και συνεπή απάντηση για την προέλευση των αστροφυσικών μαγνητικών πεδίων μέχρι να καταλάβουμε πώς προέκυψαν τα πεδία σπόρων. Η νέα εργασία που πραγματοποιήθηκε από την μεταπτυχιακή φοιτήτρια του MIT Μούνι Ζου , τον σύμβουλό της Νούνο Λουρέιρο, καθηγητή πυρηνικής επιστήμης και μηχανικής στο MIT, και συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον και το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Μπούλτερ παρέχει μια απάντηση που δείχνει τις βασικές διαδικασίες που δημιουργούν ένα πεδίο από μια εντελώς μη μαγνητισμένη κατάσταση μέχρι το σημείο που είναι αρκετά ισχυρό ώστε ο μηχανισμός δυναμό να αναλάβει και να ενισχύσει το πεδίο στα μεγέθη που παρατηρούμε.

Τα μαγνητικά πεδία είναι παντού

Φυσικά μαγνητικά πεδία φαίνονται παντού στο σύμπαν. Παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά στη Γη πριν από χιλιάδες χρόνια, μέσω της αλληλεπίδρασής τους με μαγνητισμένα ορυκτά όπως ο λόδεστος, και χρησιμοποιήθηκαν για πλοήγηση πολύ πριν οι άνθρωποι κατανοήσουν τη φύση ή την προέλευσή τους. Ο μαγνητισμός στον ήλιο ανακαλύφθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα από τις επιδράσεις του στο φάσμα του φωτός που εκπέμπει ο ήλιος. Από τότε, πιο ισχυρά τηλεσκόπια που κοιτούσαν βαθιά στο διάστημα διαπίστωσαν ότι τα πεδία ήταν πανταχού παρόντα.

Και ενώ οι επιστήμονες είχαν από καιρό μάθει πώς να κατασκευάζουν και να χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες και ηλεκτρομαγνήτες, οι οποίοι είχαν κάθε είδους πρακτική εφαρμογή, η φυσική προέλευση των μαγνητικών πεδίων στο σύμπαν παρέμενε μυστήριο. Πρόσφατη εργασία έχει δώσει μέρος της απάντησης, αλλά πολλές πτυχές αυτού του ερωτήματος είναι ακόμη υπό συζήτηση.

Ενίσχυση μαγνητικών πεδίων - το φαινόμενο δυναμό

Οι επιστήμονες άρχισαν να σκέφτονται αυτό το πρόβλημα εξετάζοντας τον τρόπο με τον οποίο παράγονται τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία στο εργαστήριο. Όταν οι αγωγοί, όπως το χάλκινο σύρμα, κινούνται σε μαγνητικά πεδία, δημιουργούνται ηλεκτρικά πεδία. Αυτά τα πεδία, ή οι τάσεις, μπορούν στη συνέχεια να οδηγήσουν ηλεκτρικά ρεύματα. Έτσι παράγεται η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιούμε καθημερινά. Μέσω αυτής της διαδικασίας επαγωγής, μεγάλες γεννήτριες ή «δυναμό» μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που τροφοδοτεί τα σπίτια και τα γραφεία μας. Ένα βασικό χαρακτηριστικό των δυναμό είναι ότι χρειάζονται μαγνητικά πεδία για να λειτουργήσουν.

Αλλά έξω στο σύμπαν, δεν υπάρχουν εμφανή σύρματα ή μεγάλες κατασκευές από χάλυβα, οπότε πώς προκύπτουν τα πεδία; Η πρόοδος σε αυτό το πρόβλημα ξεκίνησε πριν από περίπου έναν αιώνα, καθώς οι επιστήμονες συλλογίστηκαν την πηγή του μαγνητικού πεδίου της Γης. Μέχρι τότε, οι μελέτες για τη διάδοση των σεισμικών κυμάτων έδειξαν ότι μεγάλο μέρος της Γης, κάτω από τα ψυχρότερα επιφανειακά στρώματα του μανδύα, ήταν υγρό και ότι υπήρχε ένας πυρήνας αποτελούμενος από λιωμένο νικέλιο και σίδηρο. Οι ερευνητές θεώρησαν ότι η συναγωγική κίνηση αυτού του ζεστού, ηλεκτρικά αγώγιμου υγρού και η περιστροφή της Γης συνδυάστηκαν κατά κάποιο τρόπο για να δημιουργήσουν το πεδίο της Γης.

Τελικά, εμφανίστηκαν μοντέλα που έδειχναν πώς η συναγωγική κίνηση θα μπορούσε να ενισχύσει ένα υπάρχον πεδίο. Αυτό είναι ένα παράδειγμα «αυτοοργάνωσης» - ένα χαρακτηριστικό που παρατηρείται συχνά σε πολύπλοκα δυναμικά συστήματα - όπου οι δομές μεγάλης κλίμακας αναπτύσσονται αυθόρμητα από δυναμικές μικρής κλίμακας. Αλλά ακριβώς όπως σε έναν σταθμό παραγωγής ενέργειας, χρειαζόσουν ένα μαγνητικό πεδίο για να δημιουργήσεις ένα μαγνητικό πεδίο.

Μια παρόμοια διαδικασία λειτουργεί σε όλο το σύμπαν. Ωστόσο, στα αστέρια και τους γαλαξίες και στο διάστημα μεταξύ τους, το ηλεκτρικά αγώγιμο ρευστό δεν είναι λιωμένο μέταλλο, αλλά πλάσμα - μια κατάσταση ύλης που υπάρχει σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες όπου τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται από τα άτομά τους. Στη Γη, το πλάσμα μπορεί να δει σε φώτα κεραυνού ή νέον. Σε ένα τέτοιο μέσο, ​​το φαινόμενο δυναμό μπορεί να ενισχύσει ένα υπάρχον μαγνητικό πεδίο, υπό την προϋπόθεση ότι ξεκινά από κάποιο ελάχιστο επίπεδο.

Δημιουργώντας τα πρώτα μαγνητικά πεδία

Από πού προέρχεται αυτό το χωράφι με σπόρους; Εκεί έρχεται η πρόσφατη εργασία της Ζου και των συναδέλφων της, που δημοσιεύτηκε στις 5 Μαΐου στο PNAS. Η Ζου ανέπτυξε την υποκείμενη θεωρία και πραγματοποίησε αριθμητικές προσομοιώσεις σε ισχυρούς υπερυπολογιστές που δείχνουν πώς μπορεί να παραχθεί το πεδίο σπόρων και ποιες θεμελιώδεις διεργασίες λειτουργούν. Μια σημαντική πτυχή του πλάσματος που υπάρχει ανάμεσα σε αστέρια και γαλαξίες είναι ότι είναι εξαιρετικά διάχυτο - συνήθως περίπου ένα σωματίδιο ανά κυβικό μέτρο. Αυτή είναι μια πολύ διαφορετική κατάσταση από το εσωτερικό των άστρων, όπου η πυκνότητα των σωματιδίων είναι περίπου 30 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη.

Οι χαμηλές πυκνότητες σημαίνουν ότι τα σωματίδια στα κοσμολογικά πλάσματα δεν συγκρούονται ποτέ, κάτι που έχει σημαντικές επιπτώσεις στη συμπεριφορά τους που έπρεπε να συμπεριληφθούν στο μοντέλο που ανέπτυξαν αυτοί οι ερευνητές.

Οι υπολογισμοί που πραγματοποιήθηκαν από τους ερευνητές του MIT ακολούθησαν τη δυναμική σε αυτά τα πλάσματα, τα οποία αναπτύχθηκαν από καλά διατεταγμένα κύματα αλλά έγιναν ταραχώδη καθώς το πλάτος μεγάλωνε και οι αλληλεπιδράσεις έγιναν έντονα μη γραμμικές. Συμπεριλαμβάνοντας λεπτομερή αποτελέσματα της δυναμικής του πλάσματος σε μικρές κλίμακες σε μακροσκοπικές αστροφυσικές διεργασίες, έδειξαν ότι τα πρώτα μαγνητικά πεδία μπορούν να παραχθούν αυθόρμητα μέσω γενικών κινήσεων μεγάλης κλίμακας τόσο απλές όσο οι διατμημένες ροές. Ακριβώς όπως τα επίγεια παραδείγματα, η μηχανική ενέργεια μετατράπηκε σε μαγνητική ενέργεια.

Ένα σημαντικό αποτέλεσμα του υπολογισμού τους ήταν το πλάτος του αναμενόμενου αυθόρμητα παραγόμενου μαγνητικού πεδίου. Αυτό που έδειξε αυτό ήταν ότι το εύρος του πεδίου θα μπορούσε να αυξηθεί από το μηδέν σε ένα επίπεδο όπου το πλάσμα «μαγνητίζεται» - δηλαδή, όπου η δυναμική του πλάσματος επηρεάζεται έντονα από την παρουσία του πεδίου. Σε αυτό το σημείο, ο παραδοσιακός μηχανισμός δυναμό μπορεί να αναλάβει και να ανεβάσει τα πεδία στα επίπεδα που παρατηρούνται. Έτσι, η εργασία τους αντιπροσωπεύει ένα αυτοσυνεπές μοντέλο για τη δημιουργία μαγνητικών πεδίων σε κοσμολογική κλίμακα.

Η καθηγήτρια Έλεν Ζούμπελ του Πανεπιστημίου του Γουινσκόνσιν στο Μάντισον σημειώνει ότι «παρά τις δεκαετίες αξιοσημείωτης προόδου στην κοσμολογία, η προέλευση των μαγνητικών πεδίων στο σύμπαν παραμένει άγνωστη. Είναι υπέροχο να βλέπεις τη θεωρία της φυσικής πλάσματος αιχμής και την αριθμητική προσομοίωση να επιδρά σε αυτό το θεμελιώδες πρόβλημα».

Η Ζου και οι συνεργάτες του θα συνεχίσουν να βελτιώνουν το μοντέλο τους και να μελετούν τη μεταβίβαση από τη δημιουργία του πεδίου σπόρων στη φάση ενίσχυσης του δυναμό. Ένα σημαντικό μέρος της μελλοντικής τους έρευνας θα είναι να καθορίσουν εάν η διαδικασία μπορεί να λειτουργήσει σε χρονική κλίμακα που να συνάδει με τις αστρονομικές παρατηρήσεις. Για να αναφέρουμε τα λόγια των ερευνητών, «Αυτή η εργασία παρέχει το πρώτο βήμα στην οικοδόμηση ενός νέου παραδείγματος για την κατανόηση της μαγνητογένεσης στο σύμπαν».

Αυτή η εργασία χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών CAREER Award και την επιχορήγηση Future Investigators of NASA Earth and Space Science Technology (FINESST).

Πηγή: Bigthink