Физики из Университета Висконсина в Мэдисоне предложили решение фундаментальной проблемы астрофизики, объяснив механизм формирования упорядоченных магнитных полей в космосе. Согласно исследованию, опубликованному в журнале «Nature», крупномасштабные магнитные структуры возникают из хаотической плазмы благодаря устойчивому градиенту скорости – явлению, при котором разные части физической системы движутся с разной скоростью. Этот вывод существенно меняет представление о процессах, происходящих внутри звезд, при слиянии нейтронных звезд и в окрестностях черных дыр.
Магнитные поля пронизывают всю Вселенную, влияя на траекторию высокоэнергетических частиц, эволюцию галактик и космическую погоду. До сих пор ученые не могли объяснить, как в хаотичной космической среде формируются гигантские симметричные структуры. Классическая теория турбулентного динамо, которую исследователи разрабатывают уже около семидесяти лет, неизменно показывала, что хаос в плазме должен приводить лишь к мелкомасштабным и столь же беспорядочным магнитным полям, что прямо противоречило астрономическим наблюдениям.
Авторы новой работы обратили внимание на роль градиента скорости, который постоянно возникает в реальных космических объектах, например во вращающемся веществе Солнца или при столкновении нейтронных звезд. Для проверки гипотезы ученые провели серию из девяноста трехмерных компьютерных симуляций на суперкомпьютере «Anvil» в Университете Пердью. Моделирование задействовало рекордные 137 миллиардов узлов расчетной сетки и потребовало почти 100 миллионов часов работы центральных процессоров, сгенерировав четверть петабайта данных.
Моделирование показало, что при наличии постоянного градиента скорости изначально малые случайные возмущения в плазме перерастают в организованные струйные течения. Именно эти масштабные потоки упорядочивают силовые линии магнитного поля, превращая хаос в структуру. В контрольных тестах, где градиент скорости искусственно отключали, плазма оставалась хаотичной, а упорядоченные магнитные поля не формировались.
Полученные результаты согласуются не только с теоретическими расчетами, но и с результатами лабораторных экспериментов 2012 года, проведенных в Висконсинской лаборатории физики плазмы. Тогда экспериментаторы зафиксировали аномальное поведение магнитных полей, которое не укладывалось в существовавшие теории, но теперь нашло свое объяснение.
Новая модель дает астрофизикам инструмент для более точного прогнозирования солнечной активности и выбросов корональной массы, угрожающих земной инфраструктуре. Кроме того, понимание механизмов генерации магнитных полей позволит детально реконструировать процессы, происходящие при формировании черных дыр и слиянии нейтронных звезд, данные о которых сегодня регистрируются методами многоканальной астрономии.
