Урожай магнитных полей в космической пустоте

Как возникают и развиваются магнитные поля во Вселенной? Этот вопрос долгое время оставался загадкой для астрофизиков. Существовали две основные гипотезы: магнитные поля могли возникнуть в результате Большого взрыва или же формироваться локально в любом месте и в любое время. Недавнее исследование, основанное на компьютерном моделировании, добавляет поддержку последней гипотезе, показывая, как гравитация может смешивать заряженные частицы в астрофизической плазме и создавать «магнитные семена» — премагнитные поля, которые затем усиливаются. Исследователи впервые связали все этапы этого процесса.



— Александр Щекочихин, физик плазмы из Оксфордского университета.

Еще одна загадка заключается в том, что в космических пустотах мало плазмы — в среднем одна частица на каждые 10 кубических метров. Поэтому возникает вопрос о том, как магнитное поле может зарождаться в таких условиях. В 2010 году астрономы обнаружили слабые магнитные поля в пустотах, изучая излучение от сверхмассивных черных дыр. Они предположили, что эти поля отклоняют частицы, что помогло выявить единицы полосы излучения.

Одна из теоретических моделей утверждает, что эти слабые магнитные поля являются первичными, возникшими во время Большого взрыва, когда появилось четыре фундаментальные силы, которые известны нам сегодня. Однако эти модели не смогли объяснить, как эти поля стали такими сильными и стабильными.

Конкурирующая модель, основанная на теории физика Эриха Вайбеля 1959 года, гласит, что премагнитные поля могут генерироваться локально. Вайбель предсказал, что разница в температурах между произвольными частицами, которые движутся в разных направлениях, может породить слабое магнитное поле, сегодня известное как нестабильность Вайбеля.

Лоренцо Сирони, астрофизик-теоретик из Колумбийского университета, и его коллеги, наконец, связали механизмы формирования премагнитных полей и их роста. Исследователи провели симуляцию плазмы, состоящей из более 100 миллиардов частиц, которая развивалась на суперкомпьютере НАСА в течение 50 миллионов процессорных часов. Результаты показали, как «магнитные семена» могут эффективно прорастать в масштабное магнитное поле с половиной энергии первоначальной турбулентности.

Хотя данная модель демонстрирует впечатляющие результаты, она все же имеет несколько ограничений. Для упрощения взаимодействия частиц, симуляция команды Сирони использовала электроны и позитроны вместо электронов и протонов, составляющих плазму в космических пустотах. Воспроизведение этих результатов в более реалистичных условиях плазмы все еще остается под вопросом. Требуются дополнительные исследования для количественной оценки реальных свойств турбулентности в космических пустотах.

Для Сирони моделирование магнитогенеза предлагает не только объяснение странных астрофизических наблюдений, но и более глубокое понимание проблемы. Космические пустоты представляют собой наиболее малоизученные области Вселенной и, таким образом, они открывают нам окно в прошлое. Если турбулентная плазма могла генерировать масштабные магнитные поля в ранней пустой Вселенной, то эти силы, дополняя гравитацию, могли оказывать влияние на эволюцию звезд и галактик.