Rešena jedna od najvećih misterija astrofizike: Naučnici konačno došli do odgovora koji su decenijama čekali

Nova studija objavljena u prestižnom časopisu "Nature" mogla bi konačno da odgovori na jedno od najdugovječnijih pitanja astrofizike: kako Svemir uspeva da stvori ogromna, organizovana magnetna polja usred nasilnih i turbulentnih kretanja materije?

Koristeći neke od najnaprednijih simulacija plazme ikada napravljenih, istraživači su otkrili da stabilni "gradijenti brzine" unutar turbulentne plazme mogu transformisati haotičnu magnetnu aktivnost u gigantske, koherentne kosmičke strukture. Ovo otkriće moglo bi iz korena promeniti naše razumevanje crnih rupa, sudara neutronskih zvezda, evolucije zvezda, pa čak i opasnih solarnih oluja koje direktno utiču na Zemlju.

Paradoks magnetnih polja

Magnetna polja su sveprisutna u Svemiru. Ona okružuju planete, oblikuju zvezde, utiču na galaksije i usmeravaju tokove energetskih čestica kroz međuzvezdani prostor. Iako ih astronomi posmatraju decenijama, jedna osnovna kontradikcija ostala je nerešena: turbulentno kretanje se obično povezuje sa neredom i uništenjem, dok se kosmička magnetna polja pojavljuju kao impresivno organizovani sistemi koji se protežu na nezamislive udaljenosti.

Naučnici su proveli skoro 70 godina proučavajući takozvane "magnetne dinamo" mehanizme - procese za koje se veruje da stvaraju magnetna polja putem kretanja provodnih tečnosti ili plazme. Dok su dosadašnji modeli uspešno objašnjavali male, haotične magnetne strukture, dosledno su podbacivali u pokušaju da objasne kako ta polja evoluiraju u ogromne, stabilne sisteme koje vidimo u Svemiru. Ovaj jaz između teorije i zapažanja bio je jedan od najvećih problema u ovoj oblasti nauke.

Gradijent brzine: Ključ za uvođenje reda

Nova istraživanja, predvođena naučnicima sa Univerziteta Viskonsin-Medison (UW–Madison), pristupila su problemu iz drugog ugla. Umesto da turbulenciju posmatraju kao čisto nasumičnu, tim je istražio da li skriveni obrasci protoka unutar plazme mogu postepeno nametnuti red magnetnom haosu.

Njihove simulacije su pokazale da kada unutar plazme postoji stabilan gradijent brzine (razlika u brzini kretanja različitih slojeva plazme), magnetna polja počinju prirodno da se organizuju tokom vremena.

"Magnetna polja u celom Svemiru su velika i organizovana, ali naše razumevanje je da ona potiču od neke vrste turbulentnog kretanja", kaže vodeći autor studije Bindes Tripati, bivši student fizike na UW–Madison, a sada istraživač na Univerzitetu Kolumbija. "S obzirom na to da je turbulentni tok poznat kao razarajući faktor, ostalo je pitanje: kako on uspeva da stvori konstruktivno, polje velikih razmera?"

Kako bi istražili ovaj fenomen, naučnici su koristili superkompjuter Anvil na Univerzitetu Perdju, gde su sproveli jednu od najobimnijih simulacija plazme u istoriji. Razmere projekta bile su neverovatne:

Simulacije su obuhvatile 137 milijardi tačaka u punom trodimenzionalnom prostoru; Utrošeno je skoro 100 miliona procesorskih sati (CPU hours) i, generisano je oko 0,25 petabajta naučnih podataka.

Pexels

Istraživači su započeli sa tokovima plazme koji su imali stabilne gradijente brzine. Zatim su uveli male perturbacije, dozvoljavajući turbulenciji da se prirodno razvija. Kako je simulacija napredovala, male i nepravilne magnetne strukture počele su da se spajaju u ogromna, organizovana magnetna polja.

Ključni dokaz pojavio se kada su istraživači iz jednačina uklonili gradijent brzine. Bez tog organizovanog kretanja, magnetna polja nikada nisu izašla iz haotične faze. To je potvrdilo da je upravo gradijent brzine onaj "arhitekta" koji stvara red.

Zašto je ovo važno za Zemlju?

Implikacije ove studije prevazilaze teorijsku fiziku. Razumevanje načina na koji nastaju ova magnetna polja može poboljšati naučne modele u mnogim oblastima astronomije, ali i imati direktnu korist za našu civilizaciju.

Naime, solarno izbacivanje gasova i mase, izazvano magnetnom aktivnošću na Suncu, može poremetiti satelite, komunikacione sisteme, navigacione mreže (GPS) i električne mreže na Zemlji. Bolji modeli predviđanja magnetne aktivnosti zvezda mogli bi u budućnosti značajno unaprediti prognozu "svemirskog vremena".

Takođe, ovaj rad pomaže u novom polju "multi-mesindžer" astronomije (astronomije zasnovane na više različitih signala), gde naučnici kombinuju gravitacione talase i elektromagnetno zračenje kako bi proučavali najnasilnije događaje u kosmosu, poput sudara zvezda i rađanja crnih rupa.