Вопреки тому, во что верят многие люди, космос не пуст. В дополнение к электрически заряженному слою ионов и электронов, известному как плазма, пространство пронизано магнитными полями с широким диапазоном сил. Астрофизики долго задавались вопросом, как эти поля производятся, поддерживаются и увеличиваются. Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США доказали, что плазменная турбулентность может быть ответственной, обеспечивая возможный ответ на то, что было названо одной из наиболее важных нерешенных проблем в астрофизике плазмы.

На фото выше: Исследователи слева: аспирант PPPL Денис Сент-Онж, профессор астрофизических наук Принстонского университета Мэтью Кунц и директор PPPL Стивен Коули. Фото: Эль Старкман

Исследователи использовали мощные компьютеры в Институте вычислительной науки и техники Принстона (PICSciE) и в Национальном научно-вычислительном центре по энергетическим исследованиям (NERSC) в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США, чтобы смоделировать, как турбулентность может усиливать магнитные поля через то, что называется эффект динамо, при котором магнитные поля усиливаются при закручивании и повороте линий магнитного поля. «Эта работа представляет собой важный шаг на пути к первому ответу на вопрос о том, может ли турбулентность усиливать магнитные поля до динамических напряжений в горячей, разбавленной плазме, такой как находящаяся в скоплениях галактик», — сказал Мэтью Кунц, профессор астрофизики в Принстонский университет и автор статьи, которая была опубликована в The Astrophysical Journal Letters.

Прошлые исследования были сосредоточены на динамо, поскольку они могут возникать в так называемой столкновительной плазме, в которой частицы в совокупности ведут себя как жидкость. Но межгалактическая плазма не имеет столкновений, поэтому прошлые эксперименты не обязательно актуальны. Это новое исследование предназначено для устранения этого пробела. «Мы хотели посмотреть, как динамо будет вести себя в бесстолкновительном режиме», — сказал Денис Сент-Ондж, аспирант программы «Принстонская физика плазмы» в PPPL и ведущий автор статьи.

St-Onge и Kunz сфокусировались на том, как скорости и магнитные поля отдельных частиц в бесстолкновительной плазме напрямую связаны. Эта связь — если одна величина увеличивается или уменьшается, другая тоже должна, — казалось бы, исключает существование динамо. «Если бы это была целая история, это было бы катастрофическим для динамо», сказал St-Onge. «Чтобы соответствовать тому, что мы наблюдаем в космосе, динамо должно было бы увеличить напряженность магнитного поля затравки, по крайней мере, в один триллион, но энергия частиц также должна была бы возрасти, а доступной энергии просто недостаточно. в динамо, чтобы это произошло. »

Чтобы создать напряженность магнитных полей, наблюдаемых в космосе, связь, которая связывает энергию частиц с магнетизмом, должна быть разорвана. Именно это St-Onge и Kunz наблюдали в компьютерном моделировании: те типы плазменной турбулентности, которые называются зеркальной и пожарной неустойчивостями, вызывали рассеяние частиц плазмы, а рассеяние нарушало связь между энергией частиц и магнетизмом и допускало амплитуды магнитного поля. поля, чтобы стать ближе к тому, что наблюдается в природе.

Будущие исследования, отмечает St-Onge, будут направлены на то, почему происходит это турбулентное рассеяние. «Кроме того, мы хотели бы исследовать особенности рассеяния частиц», — сказал St-Onge. «Как именно нестабильности вызывают рассеяние частиц, как часто происходит рассеяние, и может ли рассеяние привести к внезапному резкому увеличению магнитного поля? Последняя идея — это идея, предложенная директором PPPL Стивеном Коули несколько лет назад. Мы хотели бы выяснить, правда ли это ».

По материалам phys.org