Астрофизики установили, что космическая турбулентность, возможно, усиливает магнитные поля до показателей, наблюдаемых в межзвездном пространстве.
По словам Don Lamb из Чикагского университета, магнитные поля представлены во всех уголках Вселенной. Как и его коллеги, он почти убеждён в том, что изначально, то есть после Большого взрыва, магнитных полей не существовало. Таким образом, возникает фундаментальный вопрос: как именно возникли магнитные поля?
Для того, чтобы помочь найти ответ на этот вопрос, который имеет фундаментальное значение для понимания Вселенной, учёные Argonne National Laboratory задействовали суперкомпьютерное моделирование. Lamb и его коллеги, во главе с учёными из Оксфордского университета, сообщали о результатах проведенных исследований в статье, опубликованной 1 июня 2014 года в журнале «Nature Physics».
В статье описывается эксперимент, проводимый в лазерной установке Vulcan laser facility, расположенной на базе одной из лабораторий Великобритании -Rutherford Appleton Laboratory, которая позволяет воссоздавать рождение сверхновой звезды с лучами, в 60000 млрд раз более сильными, нежели лучи лазерного указателя. На исследование учёных вдохновило обнаружение магнитных полей в Кассиопеи A (Cassiopeia A) — остатке сверхновой звезды — которые примерно в 100 раз сильнее, чем в соседнем межзвездном пространстве.
Может показаться удивительным, что настольный лабораторный эксперимент, который проходит в обычной по размерам комнате, может использоваться для изучения астрофизических объектов, диаметром в несколько световых лет, отмечает Gianluca Gregori, который преподает физику в Оксфордском университете. По его словам, законы физики везде одинаковы, а физические процессы поддаются масштабированию, благодаря чему волны в ведре можно сопоставить со штормом в океане. Gregori также уточняет, что проводимые эксперименты могут служить дополнительными наблюдениями за такими сверхновыми, как Кассиопея А
Исследование проводилось в тесном сотрудничестве между командой учёных, возглавляемой Lamb, из UChicago’s Flash Center for Computational Science, и командой экспериментаторов под руководством Gregori.
Ввиду сложности происходящих процессов, такие расчеты были жизненно важными для выведения именного того, что происходит вокруг, отмечает Jena Meinecke, аспирант физики в Оксфордском университете и ведущий автор статьи, опубликованной в «Nature Physics».
Диапазон магнитных полей варьируется от квадриллионов гауссов (G или Гс) в космических «пустотах» Вселенной, до нескольких микрогауссов в галактиках и галактических кластерах (для сравнения у обычных магнитов на холодильник есть магнитные поля примерно в 50 гауссов). Звезды, такие как Солнце, характеризуются магнитным полями в тысячи гауссов. Компактные нейтронные звезды, которые по сути являются сгоревшими ядрами мертвых звезд, характеризуются крупнейшими магнитными полями, превышающими квадриллионы Гс.
В 2012 году команда под руководством Gregori, успешно создала маленькие магнитные поля, называемые «семенами поля», в лабораторных условиях посредством эффекта, получившего название «механизм батареи Бирмена». Но как эти «семена поля» могли достичь столь гигантских размеров в межзвездном пространстве? Основываясь на более ранних результатах, Gregori и его коллеги из 11 учреждений по всему миру продемонстрировали, как за счет турбулентности может увеличиваться магнитное поле.
В рамках эксперимента учёные направили лазерные лучи на маленький углеродный стержень, помещённый в камеру, заполненную газом с низкой плотностью. Лазеры, создавая температуру в несколько миллионов градусов, стали причиной взрыва стержня. Это взрыв распространился по всему газу.
По словам Gregori, эксперимент продемонстрировал, что реактивная струя взрыва проходит через сетку и становится нерегулярной и турбулентной, как и образы из Кассиопеи А.
Экспериментаторам было известно о всех физических переменных в данной точке — температуре, плотности и скорости, отмечает соавтор Petros Tzeferacos. Tzeferacos и его коллеги включили эти данные в моделирование. Моделирование, общей продолжительностью 20 млн часов, проводилось на суперкомпьютерах Mira и Intrepid, расположенных в Argonne National Laboratory. Mira может выполнять 10 квадриллионов вычислений в секунду, что в 20 раз больше, нежели Intrepid за то же время.
