Вплив великих струменів на магнітні поля: нове відкриття в астрономії

Дослідницька група виявила, що великі струмені призводять до суттєвого посилення магнітного поля, інтегруючи цей ефект у нову динамо-теорію, яка відрізняється від традиційних моделей, що зазвичай використовуються для планетарних і зоряних динамо. Це відкриття має велике значення для розуміння посилення магнітних полів у плазмі, планетах, зірках, нейтронних зірках та акреційних дисках навколо компактних об'єктів. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature.

Магнітні поля, присутні в різних масштабах, впливають на численні явища, такі як формування зірок, транспортування космічних променів, прискорення заряджених частинок, просторову погоду, а також на поведінку атмосфер планет і лабораторних плазм. Виникнення космічних магнітних полів залишається загадкою. Для їх утворення необхідні рухомі маси або потоки рідин, які на космічному рівні живляться гравітацією і зазвичай є турбулентними, характеризуючись хаотичними змінами тиску і швидкості. Це призводить до заплутаних і безладних магнітних полів, які концентруються на малих масштабах.

Проте астрономічні магнітні поля зберігають впорядковану структуру на рівні галактик і вище. Дослідження показують, що поля на малих масштабах зазвичай мають подібну величину і, що важливо, вирівняні. Це вирівнювання, відоме як альфвенізація, є невід'ємною частиною рухів магнітних рідин, які проводять електрику та транспортують магнітні поля. Альфвенізація практично усуває традиційний механізм динамо, запропонований для посилення магнітних полів, в якому турбулентні потоки вигинають початкові магнітні поля, створюють дуги і потім скручують їх, формуючи петлі, що підсилюють початкові поля.

Теорію динамо середнього поля, запропоновану Е. Н. Паркером у 1955 році, широко використовують, проте вона має труднощі з налаштуванням параметрів, оскільки ці параметри не виправдовуються основними принципами. Дослідження турбулентних потоків показують, що магнітні поля заплутані, зламані та фрагментовані на малі структури через напругу зсуву потоку.

У своєму дослідженні Біндеш Трипаті (Колумбійський університет) та його команда розглянули нестабільний зсувний потік і розробили аналітичну теорію, проводячи складні тривимірні симуляції турбулентності з використанням до 4 096 × 4 096 × 8 192 точок сітки. Вони змогли показати генерацію магнітних полів великого масштабу з нуля. Дослідники виявили, що ця генерація відбувається через ефект середньої вортексності, додатковий процес динамо середнього поля, що був запропонований у 1990 році.

Генерація тривимірних струменів великого масштабу, які є стійкими рішеннями магніто-гідродинамічних рівнянь, є критично важливою для цієї динамо. Цей процес може бути застосований як до лабораторних систем, так і до астрофізичних систем з зсувом. Це включає злиття бінарних нейтронних зірок, де ефект динамо, ймовірно, працює на мікросекундному рівні, щоб за кілька мілісекунд виробити одні з найпотужніших магнітних полів у Всесвіті.

Трипаті та його колеги провели чисельні симуляції зсувного потоку в магнітній рідині (тобто потоку, що рухається в протилежних напрямках, як у випадку з двостороннім рухом). Зсувний потік часто призводить до нестабільностей і турбулентностей. Ці симуляції проводилися протягом тривалих періодів, охоплюючи сотні тисяч часу зростання нестабільності, що вимагало значних обчислювальних ресурсів. Дослідники використовували ці моделі для виявлення процесів, які природно виникають у турбулентності після таких тривалих періодів.

Вони виявили, що деякі процеси є домінуючими серед складних взаємодій, порівнюючи поведінку симуляції з цими процесами та без них. Дослідники також провели аналітичні розрахунки, щоб визначити концептуальні основи цих процесів.

У чисельних симуляціях нестабільність зсувного потоку створює великомасштабні рухи та турбулентні структури різних розмірів. Великомасштабний рух, який часто вважається в основному двомірним, генерує тривимірні структури, які, в свою чергу, створюють великомасштабні струмені протягом тривалих періодів. Ці струмені аналогічні струменям, що швидко рухаються в атмосфері Землі. Зональні струмені, які практично паралельні зсувному потоку, генерують великомасштабне магнітне поле, енергія якого відповідає кінетичній енергії потоку. Хоча альфвенізація суперечить традиційному механізму, запропонованому для посилення магнітного поля, вона дозволяє механізму, пов'язаному з нестабільністю зсувного потоку та зональними струменями.

Цей альтернативний механізм генерації магнітних полів вимагає зсувного потоку з рідинами великого масштабу, що рухаються з різними швидкостями. Механізм виявився стійким до варіацій параметрів, які впливають на діапазон масштабів турбулентних рухів.

Виявляється, що злиття нейтронних зірок створює шар зсувного потоку. Цей шар зберігається достатньо довго, щоб новий механізм генерації поля міг виробити магнітні поля, які потенційно в 10^16 до 10^17 разів потужніші за земне поле. Цей механізм генерації поля також може працювати в Сонці, яке має великомасштабні латеральні потоки. Дослідники зазначають, що інші типи нестабільностей великого масштабу можуть створити подібні зсувні потоки, які генерують магнітні поля в їхніх симуляціях.

На даний момент основний процес був вивчений в ідеалізованій системі. Щоб визначити, чи працює цей процес в даній астрофізичній системі, необхідно врахувати інші ефекти, які можуть бути присутніми. Хоча симуляції включали розширені діапазони параметрів, вони все ще залишаються нижче деяких екстремальних значень, які спостерігаються в астрофізичних системах.

Крім того, дослідження Трипаті та його команди пропонує потенційне пояснення до заплутаного лабораторного вимірювання 2012 року, яке стосувалося генерації магнітних полів рідким металом у стані турбулентності. У дослідженні Рахбарні та ін. було безпосередньо виміряно транспортування векторного магнітного поля через ізотропну турбулентність у потоці рідкого натрію з високим числом Рейнольдса. Вони виміряли турбулентну електромоторну силу, одночасно вимірюючи три компоненти швидкості та магнітних полів, і обчислили кореляції, які призводять до генерації середнього магнітного струму. Вони дійшли висновку, що турбулентна електромоторна сила має тенденцію протидіяти та скасовувати місцевий струм, таким чином підвищуючи ефективну резистивність середовища, тобто вона діє як підвищена магнітна дифузія, з важливими наслідками для турбулентного транспорту в астрофізичних об'єктах, зокрема в динамо та акреційних дисках.

Проте Трипаті та його колеги підкреслюють, що для відтворення всіх аспектів цього експерименту необхідні додаткові дослідження з використанням їхнього нового механізму генерації. Тим часом дослідники планують інтегрувати свій механізм генерації магнітних полів у моделі сонячного магнетизму, еволюції зірок, злиття нейтронних зірок та прискорення частинок, щоб порівняти очікувані ефекти з спостереженнями.