Физики смоделировали турбулентность галактики — она ведет себя не так, как считалось

Международная команда ученых провела крупнейшие в истории симуляции магнитной турбулентности, которые привели к неожиданным результатам, бросающим вызов давно устоявшимся астрофизическим теориям. Исследование, возглавляемое Джеймсом Битти из Принстонского университета, опубликовано в Nature Astronomy.

Расчеты проводились в Центре суперкомпьютеров им. Лейбница Баварской академии наук и гуманитарных наук. Ученые обнаружили, что на то, как энергия и материя перемещаются через межзвездную среду значительно влияют магнитные поля. Команда явно наблюдала, что магнитные поля изменяют способ формирования каскадов энергии в межзвездной среде, подавляя движения мелкого масштаба и усиливая определенные волнообразные возмущения — альвеновские волны. Альве́новские во́лны — поперечные плазменные волны, распространяющиеся вдоль силовых линий магнитного поля. Вызываются низкочастотными электромагнитными волнами в плазме. При этом плазма также приходит в движение, что приводит к многократному понижению скорости распространения волны. С практической точки зрения понимание и правильное моделирование турбулентности и образования высокоэнергетических частиц может пролить свет на то, как безопасно перемещаться в космосе. Модель позволит по-новому взглянуть на межзвездную среду, магнетизм галактики Млечный Путь в целом и астрофизические явления, такие как звездообразование и распространение космических лучей. «Исследование имеет значение для прогнозирования и мониторинга космической погоды, чтобы лучше понять плазменную среду вокруг спутников и будущих космических миссий, а также ускорение высокоэнергетических частиц, которые наносят ущерб всему и могут представлять опасность для людей в космосе. Многие из этих фундаментальных вопросов турбулентности плазмы являются объектами миссий, которые сейчас запускает НАСА, и имеют значение для понимания происхождения космических магнитных полей. Подобные моделирования дадут нам понимание того, как интерпретировать спутниковые и наземные измерения», — сказал Амитава Бхаттачарджи, соавтор новой статьи, профессор астрофизических наук в Принстоне. До сих пор нет полной математической структуры для прогнозирования того, как вещество перемещается разных масштабах: в океанах, в атмосфере или через плазму и пыль между звездами. «Турбулентность остается одной из величайших нерешенных проблем классической механики. Это несмотря на то, что турбулентность вездесуща: от завихрения молока в нашем кофе до хаотических потоков в океанах, солнечном ветре, межзвездной среде и даже плазме между галактиками. Мне нравится заниматься исследованием турбулентности из-за ее универсальности. Она выглядит одинаково, независимо от того, смотрите ли вы на плазму между галактиками, внутри галактик, внутри солнечной системы, в чашке кофе или на «Звездную ночь» Ван Гога. Есть что-то очень романтичное в том, как это проявляется на всех этих разных уровнях, и я думаю, что это очень волнующе», — говорит Битти. Для космоса проблема еще сложнее из-за разнообразных магнитных полей. Чтобы их учесть требуются огромные вычислительные ресурсы. Мощности, которые потребовались для нового моделирования, эквивалентны 140 000 обычных компьютеров, работающих параллельно. В дополнение к высокому разрешению, модель масштабируема и может имитировать, в наибольшем размере, объем пространства со стороной около 30 световых лет. В своем наибольшем размере модель может улучшить наше понимание общего магнитного поля галактики Млечный Путь. При уменьшении масштаба она поможет астрономам лучше понять более «компактные» процессы, такие как солнечный ветер, который исходит от Солнца и сильно влияет на Землю.