infos.ro

Cum universul și-a primit câmpul magnetic | Știri MIT

Martin Greenwald | Plasma Science and Fusion Center,news.mit.edu

Când privim în spațiu, toate obiectele astrofizice pe care le vedem sunt încorporate în câmpuri magnetice. Acest lucru este adevărat nu numai în vecinătatea stelelor și planetelor, ci și în spațiul profund dintre galaxii și clustere galactice. Aceste câmpuri sunt slabe – de obicei mult mai slabe decât cele ale unui magnet de frigider – dar sunt semnificative din punct de vedere dinamic, în sensul că au efecte profunde asupra dinamicii universului. În ciuda deceniilor de interes intens și de cercetare, originea acestor câmpuri magnetice cosmice rămâne unul dintre cele mai profunde mistere din cosmologie.

În cercetările anterioare, oamenii de știință au ajuns să înțeleagă cum turbulența, mișcarea de agitare comună fluidelor de toate tipurile, ar putea amplifica câmpurile magnetice preexistente prin așa-numitul proces dinam. Dar această descoperire remarcabilă doar a împins misterul cu un pas mai adânc. Dacă un dinam turbulent ar putea doar amplifica un câmp existent, de unde a venit câmpul magnetic „sămânță” în primul rând?

Nu am avea un răspuns complet și auto-consecvent la originea câmpurilor magnetice astrofizice până nu înțelegem cum au apărut câmpurile de semințe. Noua lucrare realizată de studentul absolvent al MIT Muni Zhou, consilierul ei Nuno Loureiro, profesor de știință și inginerie nucleară la MIT și colegii de la Universitatea Princeton și de la Universitatea Colorado din Boulder oferă un răspuns care arată procesele de bază care generează un câmp de la o stare complet nemagnetizată până la punctul în care este suficient de puternic pentru ca mecanismul dinamului să preia și să amplifice câmpul la mărimile pe care le observăm.

Câmpurile magnetice sunt peste tot

Câmpurile magnetice care apar în mod natural sunt văzute peste tot în univers. Ele au fost observate pentru prima dată pe Pământ cu mii de ani în urmă, prin interacțiunea lor cu minerale magnetizate, cum ar fi piatra, și utilizate pentru navigație cu mult înainte ca oamenii să înțeleagă natura sau originea lor. Magnetismul asupra soarelui a fost descoperit la începutul secolului al XX-lea prin efectele sale asupra spectrului luminii emise de soare. De atunci, telescoape mai puternice care priveau adânc în spațiu au descoperit că câmpurile erau omniprezente.

Și în timp ce oamenii de știință au învățat de mult cum să producă și să folosească magneți permanenți și electromagneți, care aveau tot felul de aplicații practice, originile naturale ale câmpurilor magnetice din univers au rămas un mister. Lucrările recente au oferit o parte a răspunsului, dar multe aspecte ale acestei întrebări sunt încă în dezbatere.

Amplificarea câmpurilor magnetice — efectul dinam

Oamenii de știință au început să se gândească la această problemă luând în considerare modul în care au fost produse câmpurile electrice și magnetice în laborator. Când conductorii, cum ar fi firul de cupru, se mișcă în câmpuri magnetice, se creează câmpuri electrice. Aceste câmpuri, sau tensiuni, pot conduce apoi curenți electrici. Așa se produce energia electrică pe care o folosim zilnic. Prin acest proces de inducție, generatoarele mari sau „dinamo” transformă energia mecanică în energia electromagnetică care alimentează casele și birourile noastre. O caracteristică cheie a dinamurilor este că au nevoie de câmpuri magnetice pentru a funcționa.

Dar în univers, nu există fire evidente sau structuri mari de oțel, așa că cum apar câmpurile? Progresul în această problemă a început cu aproximativ un secol în urmă, când oamenii de știință s-au gândit la sursa câmpului magnetic al Pământului. Până atunci, studiile privind propagarea undelor seismice au arătat că o mare parte a Pământului, sub straturile mai reci ale suprafeței mantalei, era lichidă și că exista un miez compus din nichel și fier topit. Cercetătorii au teoretizat că mișcarea convectivă a acestui lichid fierbinte conductiv electric și rotația Pământului s-au combinat într-un fel pentru a genera câmpul Pământului.

În cele din urmă, au apărut modele care au arătat cum mișcarea convectivă ar putea amplifica un câmp existent. Acesta este un exemplu de „auto-organizare” – o caracteristică des întâlnită în sistemele dinamice complexe – în care structurile la scară mare cresc spontan din dinamica la scară mică. Dar la fel ca într-o centrală electrică, aveai nevoie de un câmp magnetic pentru a crea un câmp magnetic.

Un proces similar este în lucru în tot universul. Cu toate acestea, în stele și galaxii și în spațiul dintre ele, fluidul conducător de electricitate nu este metal topit, ci plasmă – o stare a materiei care există la temperaturi extrem de ridicate în care electronii sunt smulși din atomii lor. Pe Pământ, plasmele pot fi văzute în fulgere sau lumini de neon. Într-un astfel de mediu, efectul dinam poate amplifica un câmp magnetic existent, cu condiția ca acesta să înceapă la un nivel minim.

Realizarea primelor câmpuri magnetice

De unde provine acest câmp de semințe? Acolo este lucrarea recentă a lui Zhou și a colegilor ei, publicat pe 5 mai în PNAS, intervine. Zhou a dezvoltat teoria de bază și a efectuat simulări numerice pe supercalculatoare puternice care arată cum poate fi produs câmpul de semințe și ce procese fundamentale funcționează. Un aspect important al plasmei care există între stele și galaxii este că este extraordinar de difuză – de obicei aproximativ o particulă pe metru cub. Aceasta este o situație foarte diferită de interiorul stelelor, unde densitatea particulelor este cu aproximativ 30 de ordine de mărime mai mare. Densitățile scăzute înseamnă că particulele din plasmele cosmologice nu se ciocnesc niciodată, ceea ce are efecte importante asupra comportamentului lor care trebuiau incluse în modelul pe care acești cercetători îl dezvoltau.

Calculele efectuate de cercetătorii MIT au urmărit dinamica acestor plasme, care s-au dezvoltat din valuri bine ordonate, dar au devenit turbulente pe măsură ce amplitudinea creștea și interacțiunile au devenit puternic neliniare. Prin includerea efectelor detaliate ale dinamicii plasmei la scară mică asupra proceselor astrofizice macroscopice, ei au demonstrat că primele câmpuri magnetice pot fi produse spontan prin mișcări generice la scară largă, la fel de simple ca fluxurile forfecate. La fel ca și exemplele terestre, energia mecanică a fost transformată în energie magnetică.

Un rezultat important al calculului lor a fost amplitudinea câmpului magnetic generat spontan. Ceea ce a arătat aceasta a fost că amplitudinea câmpului ar putea crește de la zero la un nivel în care plasma este „magnetizată” – adică unde dinamica plasmei este puternic afectată de prezența câmpului. În acest moment, mecanismul tradițional dinam poate prelua și ridica câmpurile la nivelurile care sunt observate. Astfel, munca lor reprezintă un model auto-consistent pentru generarea câmpurilor magnetice la scară cosmologică.

Profesorul Ellen Zweibel de la Universitatea din Wisconsin din Madison notează că „în ciuda deceniilor de progrese remarcabile în cosmologie, originea câmpurilor magnetice din univers rămâne necunoscută. Este minunat să vezi că teoria de ultimă generație a fizicii plasmei și simularea numerică sunt aplicate acestei probleme fundamentale.”

Zhou și colegii de muncă vor continua să-și perfecționeze modelul și să studieze transferul de la generarea câmpului de semințe la faza de amplificare a dinamului. O parte importantă a cercetărilor lor viitoare va fi să determine dacă procesul poate funcționa la o scară de timp compatibilă cu observațiile astronomice. Pentru a-i cita pe cercetători, „Această lucrare oferă primul pas în construirea unei noi paradigme pentru înțelegerea magnetogenezei în univers”.

Această lucrare a fost finanțată de Premiul CAREER al Fundației Naționale pentru Știință și de grantul pentru viitorii investigatori ai NASA Earth and Space Science Technology (FINESST).

Sursa articol

You might also like