Nova studija objavljena u prestižnom časopisu Nature mogla bi konačno odgovoriti na jedno od najdugovječnijih pitanja astrofizike: kako svemir uspijeva da stvori ogromna, organizovana magnetna polja usred nasilnih i turbulentnih kretanja materije.
Koristeći neke od najnaprednijih simulacija plazme ikada napravljenih, istraživači su otkrili da stabilni „gradijenti brzine” unutar turbulentne plazme mogu transformisati haotičnu magnetnu aktivnost u gigantske, koherentne kosmičke strukture. Ovo otkriće moglo bi značajno promijeniti naše razumijevanje crnih rupa, sudara neutronskih zvijezda, evolucije zvijezda, pa čak i jakih solarnih oluja koje utiču na Zemlju.
Paradoks magnetnih polja
Magnetna polja su prisutna širom svemira. Ona okružuju planete, oblikuju zvijezde, utiču na galaksije i usmjeravaju tokove energetskih čestica kroz međuzvjezdani prostor. Iako ih astronomi proučavaju decenijama, ostala je osnovna kontradikcija: turbulencija se obično povezuje s haosom, dok kosmička magnetna polja izgledaju kao izuzetno uređeni sistemi koji se protežu na ogromne udaljenosti.
Naučnici su gotovo 70 godina proučavali takozvane „magnetne dinamo” mehanizme, procese koji stvaraju magnetna polja kretanjem provodnih tečnosti ili plazme. Dosadašnji modeli su uspješno objašnjavali male, haotične strukture, ali nisu mogli objasniti kako ta polja prelaze u ogromne stabilne sisteme kakve vidimo u svemiru.
Gradijent brzine kao ključ
Novo istraživanje, koje su predvodili naučnici sa Univerziteta Wisconsin–Madison, problemu je pristupilo iz drugog ugla. Umjesto da turbulenciju posmatraju kao čistu slučajnost, tim je ispitao da li skriveni obrasci kretanja unutar plazme mogu postepeno uspostaviti red u magnetnom haosu.
Simulacije su pokazale da, kada u plazmi postoji stabilan gradijent brzine (razlika u brzini kretanja između slojeva plazme), magnetna polja se s vremenom počinju prirodno organizovati.
„Magnetna polja u svemiru su velika i organizovana, ali naše razumijevanje je da potiču iz turbulentnog kretanja”, rekao je vodeći autor studije Bindes Tripathi. „Pitanje je bilo: kako nešto tako haotično može stvoriti uređene strukture velikih razmjera?”
Superkompjuterske simulacije
Za istraživanje je korišten superkompjuter Anvil na Univerzitetu Purdue, gdje su provedene jedne od najvećih simulacija plazme do sada 137 milijardi tačaka u trodimenzionalnom prostoru, skoro 100 miliona CPU sati i oko 0,25 petabajta podataka.
Istraživači su započeli sa stabilnim tokovima plazme, a zatim uveli male poremećaje. Kako je simulacija napredovala, male magnetne strukture su se počele spajati u velike, organizovane sisteme.
Ključni dokaz došao je kada je gradijent brzine uklonjen iz jednačina, bez njega, magnetna polja nikada nisu prelazila iz haotične faze. To potvrđuje da upravo on ima ulogu „arhitekte” kosmičkog reda.
Zašto je ovo važno za Zemlju?
Ovo otkriće ima i praktične posljedice. Bolje razumijevanje magnetnih procesa može unaprijediti predviđanje solarnih oluja koje utiču na satelite, GPS sisteme, komunikacije i električne mreže na Zemlji.
Također, može pomoći u razvoju „multi-messenger” astronomije, koja kombinuje različite vrste kosmičkih signala kako bi se proučavali najekstremniji događaji u svemiru, poput sudara zvijezda i formiranja crnih rupa.