Hvordan universet fikk sitt magnetiske felt

Når vi ser ut i verdensrommet, er alle de astrofysiske objektene vi ser innebygd i magnetiske felt. Dette gjelder ikke bare i nærheten av stjerner og planeter, men også i det dype rommet mellom galakser og galaktiske klynger. Disse feltene er svake – vanligvis mye svakere enn de til en kjøleskapsmagnet – men de er dynamisk betydningsfulle i den forstand at de har dype effekter på dynamikken i universet. Til tross for flere tiår med intens interesse og forskning, er opprinnelsen til disse kosmiske magnetfeltene fortsatt et av de mest dyptgripende mysteriene i kosmologi.

I tidligere forskning har forskere forstått hvordan turbulens, den kjernebevegelse som er vanlig for væsker av alle typer, kunne forsterke eksisterende magnetiske felt gjennom den såkalte dynamo-prosessen. Men denne bemerkelsesverdige oppdagelsen presset bare mysteriet ett skritt dypere. Hvis en turbulent dynamo bare kunne forsterke et eksisterende felt, hvor kom “frø”-magnetfeltet fra i utgangspunktet?

Vi ville ikke ha et fullstendig og selvkonsistent svar på opprinnelsen til astrofysiske magnetfelt før vi forsto hvordan frøfeltene oppsto. Nytt arbeid utført av MIT-student Muni Zhou, hennes rådgiver Nuno Loureiro, professor i kjernefysisk vitenskap og ingeniørvitenskap ved MIT, og kolleger ved Princeton University og University of Colorado i Boulder gir et svar som viser de grunnleggende prosessene som genererer et felt fra en fullstendig umagnetisert tilstand til det punktet hvor den er sterk nok til at dynamomekanismen kan ta over og forsterke feltet til de størrelsene vi observerer.

Magnetiske felt er overalt

Naturlig forekommende magnetiske felt sees overalt i universet. De ble først observert på jorden for tusenvis av år siden, gjennom deres interaksjon med magnetiserte mineraler som lodestone, og brukt til navigasjon lenge før folk hadde noen forståelse av deres natur eller opprinnelse. Magnetisme på solen ble oppdaget på begynnelsen av det 20. århundre ved dens effekter på lysspekteret som solen sendte ut. Siden den gang har kraftigere teleskoper som ser dypt ut i verdensrommet funnet ut at feltene var allestedsnærværende.

Og mens forskerne lenge hadde lært å lage og bruke permanente magneter og elektromagneter, som hadde alle slags praktiske anvendelser, forble den naturlige opprinnelsen til magnetiske felt i universet et mysterium. Nylig arbeid har gitt en del av svaret, men mange aspekter ved dette spørsmålet er fortsatt under debatt.

Forsterker magnetiske felt – dynamoeffekten

Forskere begynte å tenke på dette problemet ved å vurdere måten elektriske og magnetiske felt ble produsert på i laboratoriet. Når ledere, som kobbertråd, beveger seg i magnetiske felt, dannes det elektriske felt. Disse feltene, eller spenningene, kan da drive elektriske strømmer. Slik produseres strømmen vi bruker hver dag. Gjennom denne prosessen med induksjon konverterer store generatorer eller “dynamoer”. mekanisk energi inn i den elektromagnetiske energien som driver våre hjem og kontorer. Et sentralt trekk ved dynamoer er at de trenger magnetiske felt for å fungere.

Men ute i universet er det ingen åpenbare ledninger eller store stålkonstruksjoner, så hvordan oppstår feltene? Fremskritt med dette problemet begynte for omtrent et århundre siden da forskere grunnet på kilden til jordens magnetfelt. Da viste studier av utbredelsen av seismiske bølger at mye av jorden, under de kjøligere overflatelagene av mantelen, var flytende, og at det var en kjerne sammensatt av smeltet nikkel og jern. Forskere teoretiserte at den konvektive bevegelsen til denne varme, elektrisk ledende væsken og rotasjonen av jorden kombinerte på en eller annen måte for å generere jordens felt.

Etter hvert dukket det opp modeller som viste hvordan den konvektive bevegelsen kunne forsterke et eksisterende felt. Dette er et eksempel på “selvorganisering” – en funksjon som ofte sees i komplekse dynamiske systemer – der storskala strukturer vokser spontant fra småskala dynamikk. Men akkurat som i en kraftstasjon trengte du et magnetfelt for å lage et magnetfelt.

En lignende prosess er i gang over hele universet. Men i stjerner og galakser og i rommet mellom dem er den elektrisk ledende væsken ikke smeltet metall, men plasma – en materietilstand som eksisterer ved ekstremt høye temperaturer der elektronene rives vekk fra atomene deres. På jorden kan plasmaer sees i lyn- eller neonlys. I et slikt medium kan dynamoeffekten forsterke et eksisterende magnetfelt, forutsatt at det starter på et minimumsnivå.

Å lage de første magnetfeltene

Hvor kommer denne frøåkeren fra? Det er der det nylige arbeidet til Zhou og hennes kolleger, publisert 5. mai i PNASkommer inn. Zhou utviklet den underliggende teorien og utførte numeriske simuleringer på kraftige superdatamaskiner som viser hvordan frøfeltet kan produseres og hvilke grunnleggende prosesser som er i gang. Et viktig aspekt ved plasmaet som eksisterer mellom stjerner og galakser er at det er usedvanlig diffust – typisk omtrent én partikkel per kubikkmeter. Det er en helt annen situasjon enn stjernenes indre, hvor partikkeltettheten er omtrent 30 størrelsesordener høyere. De lave tetthetene gjør at partiklene i kosmologiske plasmaer aldri kolliderer, noe som har viktige effekter på deres oppførsel som måtte inkluderes i modellen som disse forskerne utviklet.

Beregninger utført av MIT-forskerne fulgte dynamikken i disse plasmaene, som utviklet seg fra velordnede bølger, men ble turbulente ettersom amplituden vokste og interaksjonene ble sterkt ikke-lineære. Ved å inkludere detaljerte effekter av plasmadynamikken i små skalaer på makroskopiske astrofysiske prosesser, demonstrerte de at de første magnetfeltene kan produseres spontant gjennom generiske storskalabevegelser så enkle som skjære strømmer. Akkurat som de jordiske eksemplene, ble mekanisk energi omdannet til magnetisk energi.

En viktig utgang fra beregningen deres var amplituden til det forventede spontant genererte magnetfelt. Det dette viste var at feltamplituden kunne stige fra null til et nivå der plasmaet er “magnetisert” – det vil si hvor plasmadynamikken påvirkes sterkt av tilstedeværelsen av feltet. På dette tidspunktet kan den tradisjonelle dynamomekanismen ta over og heve feltene til de nivåene som er observert. Dermed representerer arbeidet deres en selvkonsistent modell for generering av magnetiske felt i kosmologisk skala.

Professor Ellen Zweibel ved University of Wisconsin i Madison bemerker at “til tross for tiår med bemerkelsesverdig fremgang innen kosmologi, er opprinnelsen til magnetiske felt i universet fortsatt ukjent. Det er fantastisk å se state-of-the-art plasmafysikkteori og numerisk simulering tatt i bruk dette grunnleggende problemet.”

Zhou og medarbeidere vil fortsette å avgrense modellen sin og studere overleveringen fra genereringen av frøfeltet til forsterkningsfasen av dynamoen. En viktig del av deres fremtidige forskning vil være å finne ut om prosessen kan fungere på en tidsskala i samsvar med astronomiske observasjoner. For å sitere forskerne, “Dette arbeidet gir det første trinnet i byggingen av et nytt paradigme for å forstå magnetogenese i universet.”

---

---

Denne historien er publisert på nytt med tillatelse av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært nettsted som dekker nyheter om MIT-forskning, innovasjon og undervisning.