پس از ۷۰ سال ، فیزیکدانان راز میدان‌های مغناطیسی کیهانی را توضیح می‌دهند

نظم و ترتیب می‌تواند از حرکت آشفته در فضا ناشی شود و الگوهای میدان مغناطیسی را تشکیل دهد که در سراسر ستارگان، سیارات و کهکشان‌ها پایدار می‌مانند.

تحقیقات جدید توضیح می‌دهد که چگونه این میدان‌های مغناطیسی در مقیاس بزرگ شکل می‌گیرند و به نوع خاصی از حرکت اشاره می‌کنند که ممکن است به روشن شدن چگونگی توسعه و تأثیر فعالیت‌های خورشیدی بر زمین کمک کند.در سراسر ستارگان و کهکشان‌ها، گره‌های مغناطیسی کوچک همچنان نامرتب باقی می‌مانند، با این حال نوارهای پهن مغناطیسی، صاف و طرح‌دار به نظر می‌رسند.
تیمی در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون شبیه‌سازی‌هایی را برای ردیابی مستقیم آن عدم تطابق اجرا کرد.این کار توسط دکتر بیندش تریپاتی رهبری شد که تحقیقاتش بر میدان‌های مغناطیسی آشفته متمرکز است.

داستان کار آنها به یک جزئیاتی می‌پردازد که مدل‌های قبلی اغلب آن را محو می‌کردند و آن تفاوت سرعت ثابت در لایه‌ها است.

حفظ این اختلاف سرعت، الگوی بزرگ میدان مغناطیسی را پشتیبانی می‌کرد، حتی در حالی که تلاطم، حرکات کوچک‌تر را مختل می‌کرد.فیزیکدانان آن را گرادیان سرعت می‌نامند، که آن تغییر سرعت در طول مسافت می باشد و تیم تحقیقاتی مرتباً آن را دوباره نوسازی می‌کرد.این تمایز مهم است زیرا تلاطم تمایل دارد جریان در مقیاس بزرگ را تخلیه کند و قطعات چرخانی را به جا بگذارد که خطوط مغناطیسی را به صورت گره‌هایی در هم می‌پیچند.

تفاوت سرعت مهم است

وقتی حرکت متوقف شد و گرادیان کاهش یافت، شبیه‌سازی‌ها فقط میدان‌های کوتاه‌مدت و آشفته‌ای را بدون ساختار پایدار ایجاد کردند.محاسبه بازی طولانی ثبت آن تغییر آهسته از آشفتگی به ساختار آن نیاز به زمان داشت، زیرا تلاطم اولیه، الگوی بعدی را پنهان می‌کرد. این تحقیق جریان‌های سه‌بعدی را روی ۱۳۷ میلیارد نقطه شبکه دنبال کرد و نزدیک به ۱۰۰ میلیون ساعت پردازش را به کار گرفت.در طول حدود ۹۰ اجرا، این تیم حدود ۰.۲۵ پتابایت (۱۰^۱۵بایت) خروجی ذخیره کرد، سپس سازماندهی فیلدها را در طول زمان مشاهده کرد.

با این حال، این مدل با ثابت نگه داشتن چگالی در پلاسما، (یک گاز باردار الکتریکی که جریان را حمل می‌کند)، واقعیت را ساده‌سازی کرد.

جت‌ها به هم‌تراز کردن میدان‌های مغناطیسی کمک می‌کنند

در درون تلاطم، جت‌های بلندی تشکیل شدند و جریان را برای مدت طولانی در یک جهت نگه داشتند.آن جت‌ها به طور مداوم سیال را حرکت می‌دادند، بنابراین خطوط مغناطیسی بارها و بارها در یک جهت کشیده شدند و شروع به هم‌ترازی کردند.گرداب‌های کوچک هنوز میدان را پیچانده بودند ، اما جت‌ها پس از هر انفجار، بارها و بارها الگوی بزرگتر را بازیابی می‌کردند.این وابستگی به جت‌ها یک مرز تعیین می‌کند، زیرا سیستم‌هایی که نیروی محرکه پایدار نداشته باشند، ممکن است هرگز سازمان‌دهندگان بزرگی را تشکیل ندهند.

کاری که دینام‌ها معمولاً انجام می‌دهند

محققان دینام را توضیح دادند، فرآیندی که طی آن مواد متحرک در میان تلاطم، میدان‌های مغناطیسی را حفظ می‌کنند.یک بررسی کلاسیک توضیح داد که چرا بسیاری از دینام‌ها در مقیاس‌های کوچک، حتی زمانی که سیستم به حرکت خود ادامه می‌دهد، از کار می‌افتند.دهه‌ها کار نشان داده است که اکثر مدل‌ها میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند که درهم‌تنیده و محدود به مقیاس‌های کوچک باقی می‌مانند. این‌ها با الگوهای بزرگ‌مقیاس مشاهده‌شده در فضا مطابقت ندارند.

تاریخچه طولانی، نادیده گرفتن شبیه‌سازی‌های جدید را دشوار می‌کند، زیرا آنها یک فرآیند تکرارپذیر را نشان دادند که منجر به نظم در مقیاس بزرگ شد .

یک اثر سازماندهی جدید

تریپاتی پرسید: «با توجه به اینکه تلاطم به عنوان یک عامل مخرب شناخته می‌شود، این سوال باقی می‌ماند که چگونه یک میدان سازنده و در مقیاس بزرگ ایجاد می‌کند؟»تحلیل این تیم، آن جت‌ها را به اثر گردابه میانگین مرتبط کرد، جایی که چرخش در جریان میانگین، رشد مغناطیسی را هدایت می‌کند.از آنجا که جت‌ها پایدار ماندند، آن فشار چرخشی در همان جهت عمل کرد و میدان به صورت نواری رشد کرد.اگر در تحقیقات آینده محیط‌هایی پیدا شوند که چرخش هرگز جت‌های پایداری تشکیل ندهد، این اثر ممکن است ضعیف یا از بین برود.

سرنخ‌های آزمایشگاهی در کنار هم قرار می‌گیرند

شواهدی از این نوع نظم‌دهی در زمین نیز مشاهده شد، جایی که مهندسان برای شبیه‌سازی جریان‌های کیهانی، فلز مایع را به هم زدند.

در آزمایش دیناموی مدیسون ، محققان یک فشار الکتریکی آشفته را اندازه‌گیری کردند که از انتظارات استاندارد، انحراف داشت.

سیگنال جانبی نشان داد که ویژگی‌های جریان در مقیاس بزرگ اهمیت دارند، و تلاطم ساده به تنهایی باید به طور متفاوتی عمل می‌کرد.

مکانیسم جدید جت-محور با آن نتیجه آزمایشگاهی مطابقت دارد، اما محققان هنوز قبل از اینکه آن را جهانی بنامند، به آزمایش‌های گسترده‌تری نیاز دارند.

از ادغام‌ها تا سیگنال‌ها

همین فیزیک ممکن است هنگام برخورد دو ستاره نوترونی اهمیت داشته باشد، زیرا این برخورد باعث ایجاد اختلاف سرعت شدید و تلاطم شدید می‌شود. این ادغام‌ها نور و امواج گرانشی را با هم تولید می‌کنند. نجوم چندرسانه‌ای، مطالعاتی که سیگنال‌های کیهانی مختلف را ترکیب می‌کنند، هم به نور و هم به سیگنال‌های موج گرانشی وابسته است.

تریپاتی گفت: «این کار پتانسیل ،توضیح دینامیک مغناطیسی مرتبط با ادغام ستاره‌های نوترونی و تشکیل سیاه‌چاله‌ها را دارد و کاربردهای مستقیمی در نجوم چندرسانه‌ای دارد.»

تبدیل این وعده به پیش‌بینی‌های بهتر، نیازمند مدل‌هایی است که این فواره‌ها را به تابش، گرانش و ماده واقعی مرتبط کنند.

رفتار مغناطیسی خورشید

خورشید در نزدیکی زمین، روی لایه‌هایی حرکت می‌کند که از کنار هم می‌لغزند و این لایه‌ها به شکل‌گیری طوفان‌ها کمک می‌کنند.وقتی میدان‌های مغناطیسی دوباره سازماندهی می‌شوند، می‌توانند مسیرهایی را برای ذرات باردار باز کنند که می‌تواند ماهواره‌ها، شبکه‌های برق و رادیوها را مختل کند.

تریپاتی افزود: «همچنین می‌تواند به درک بهتر میدان‌های مغناطیسی ستاره‌ای و پیش‌بینی خروج گاز از خورشید به سمت زمین کمک کند.»بهبود پیش‌بینی‌ها همچنان نیازمند مدل‌هایی است که گرما و چگالی متغیر خورشید را در نظر بگیرند، نه فقط نیروهای مغناطیسی.

این موضوع محققان را در چه وضعیتی قرار می‌دهد؟

شبیه‌سازی‌ها، نکات آزمایشگاهی و نظریه‌ها به گرادیان‌های سرعت پایدار و جت‌ها به عنوان محرک‌های مرتبط با مغناطیس کیهانی اشاره دارند.

آزمایش‌های آینده به فیزیک واقع‌گرایانه‌تر و آزمایش‌های جدید نیاز دارند، زیرا هر محیطی نمی‌تواند نیروی محرکه‌ای را که جت‌ها را به حرکت در می‌آورد، حفظ کند.

منبع : مجله نیچر