Проведенное международной исследовательской группой компьютерное моделирование показало магнетизм и турбулентность в межзвездной среде — огромном океане газа и заряженных частиц в галактике Млечный Путь.
Модель, представленная в журнале Nature Astronomy, была создана за счет беспрецедентных вычислительных возможностей суперкомпьютера SuperMUC-NG в вычислительном центре Лейбница в Германии. Она бросает прямой вызов традиционному пониманию того, как проявляется магнитная турбулентность в астрофизических средах.
Джеймс Битти (James Beattie), ведущий автор статьи из Канадского института теоретической астрофизики (CITA) при Университете Торонто, надеется, что модель позволит по-новому взглянуть на межзвездную среду, магнетизм галактики в целом, звездообразование и распространение космических лучей.
Турбулентность остается одной из величайших нерешенных проблем классической механики. При этом турбулентность вездесуща: мы наблюдаем ее в чашке кофе, в хаотических потоках в океанах, в направлении солнечного ветра и в плазменных струях между галактиками. Ключевым отличием астрофизических сред является наличие магнитных полей, которые коренным образом изменяют природу турбулентных потоков.
Хотя в межзвездном пространстве гораздо меньше частиц, чем даже в экспериментах со сверхвысоким вакуумом на Земле, их движения достаточно, чтобы создать магнитное поле.
Хотя напряженность магнитного поля в межзвездной среде в несколько миллионов раз слабее магнита на холодильнике, это поле, тем не менее, является одной из ключевых сил, формирующих эволюцию Млечного пути.
Модель Джеймса Битти представляет собой куб с 10 000 ячеек, что обеспечивает гораздо более высокую детализацию, чем все предыдущие модели. В дополнение к высокому разрешению, модель масштабируема и может имитировать объем пространства длиной до 30 световых лет. В самом маленьком масштабе она может быть уменьшена в 5000 раз.
В самом широком масштабе модель может улучшить наше понимание общего магнитного поля галактики Млечный Путь. В уменьшенном масштабе это поможет астрономам лучше понять более «компактные» частные процессы, такие как солнечный ветер, который оказывает значительное влияние на Землю.
Благодаря более высокому разрешению модель также обладает потенциалом для более глубокого понимания процессов звездообразования. Известно, что магнитное давление препятствует звездообразованию, преодолевая силу тяжести, которая пытается сжать звездообразующую туманность. Теперь ученые могут детально оценить, чего ожидать от магнитной турбулентности в процессах образования молодых звезд, интенсивность которых повышается по мере приближения к галактическому центру.
Модель также показывает динамические изменения плотности межзвездной среды — от невероятно разреженного почти вакуума до более высоких плотностей, наблюдаемых в звездообразующих туманностях.
Ученые намерены проверить, работает ли модель в локальном масштабе — на примере Солнечной системы.
Это очень интересно, потому что мы сможем прогнозировать космическую погоду с помощью суперкомпьютерного моделирования. Космическая погода очень важна — мы имеем дело с заряженными частицами, которые бомбардируют спутники и людей в космосе и оказывают нежелательное воздействия на Землю.
По словам Битти, новая модель появилась в период растущего интереса к астрофизической турбулентности, а также растущего числа наблюдений за межзвездной средой. С появлением новых приборов, таких как Square Kilometer Array (SKA), которые позволяют в мельчайших деталях измерять колебания турбулентных магнитных полей по всей галактике, результаты моделирования станут максимально приближенными к реальности.
Недавно ученые объяснили, зачем магнитное поле Солнца надо измерять с разных сторон.
