Elucidarea unuia dintre cele mai profunde mistere cosmologice. Cum și-a obținut Universul câmpul magnetic?

Unul dintre cele mai profunde mistere din cosmologie este originea vastelor câmpuri magnetice, care au un efect dramatic asupra dinamicii Universului, deși sunt relativ slabe. Acum, este posibil ca noi cercetări să fi descoperit, în sfârșit, procesele de bază aflate la originea acestor câmpuri magnetice cosmologice misterioase.

Atunci când privim în spațiu, toate obiectele astrofizice pe care le vedem sunt înconjurate de câmpuri magnetice. Acest lucru este valabil nu numai în vecinătatea stelelor și a planetelor, ci și în spațiul adânc dintre galaxii și roiurile galactice. Aceste câmpuri sunt slabe, dar sunt semnificative din punct de vedere dinamic, în sensul că au efecte profunde asupra dinamicii Universului.

• Gigantul IBM a dezvăluit Quantum System Two, următoarea generație de computere cuantice
• De ce îmbătrânim mai lent atunci când călătorim cu avionul?

În ciuda deceniilor de interes și cercetare intensă, originea acestor câmpuri magnetice cosmice rămâne unul dintre cele mai fundamentale mistere din cosmologie. În cercetările anterioare, oamenii de știință au ajuns să înțeleagă cum turbulența, mișcarea de agitație comună fluidelor de toate tipurile, ar putea amplifica aceste câmpuri magnetice preexistente.

Dar această descoperire remarcabilă nu a făcut decât să împingă misterul cu un pas mai departe.

Câmpurile magnetice sunt pretutindeni

O nouă lucrare realizată de către Muni Zhou, studentă la MIT, de către Nuno Loureiro, profesor de știință și inginerie nucleară la MIT, și de către colegii de la Universitatea Princeton și de la Universitatea Colorado din Boulder, oferă un răspuns care arată procesele de bază care generează un câmp de la o stare complet nemagnetizată până la punctul în care acesta este suficient de puternic pentru ca mecanismul să preia controlul și să amplifice câmpul până la magnitudinile pe care le observăm.

Câmpurile magnetice naturale sunt observate peste tot în Univers. Ele au fost observate pentru prima dată pe Pământ cu mii de ani în urmă, prin interacțiunea lor cu minerale magnetizate, și au fost folosite pentru navigație cu mult înainte ca oamenii să înțeleagă natura sau originea lor, scrie SciTechDaily.

Magnetismul de pe Soare a fost descoperit la începutul secolului al XX-lea prin efectele sale asupra spectrului de lumină emis de stea. De atunci, telescoape mai puternice care priveau adânc în spațiu au constatat că aceste câmpuri erau omniprezente.

Și în timp ce oamenii de știință învățaseră de mult cum să fabrice și să utilizeze magneți permanenți și electromagneți, care aveau tot felul de aplicații practice, originile naturale ale câmpurilor magnetice din Univers au rămas un mister. Lucrări recente au oferit o parte din răspuns, dar multe aspecte ale acestei întrebări sunt încă în dezbatere.

Cum a apărut câmpul Pământului?

Oamenii de știință au început să se gândească la această problemă luând în considerare modul în care erau produse câmpurile electrice și magnetice în laborator. Atunci când conductorii, cum ar fi sârma de cupru, se mișcă în câmpuri magnetice, se creează câmpuri electrice. Aceste câmpuri, sau tensiuni, pot conduce apoi curenți electrici. Acesta este modul în care este produsă electricitatea pe care o folosim în fiecare zi.

Prin acest proces de inducție, generatoarele mari convertesc energia mecanică în energie electromagnetică care alimentează casele și birourile noastre.

Dar, în Univers, nu există fire sau structuri mari de oțel, deci cum apar câmpurile? Progresele în rezolvarea acestei probleme au început cu aproximativ un secol în urmă, când oamenii de știință s-au gândit la sursa câmpului magnetic al Pământului.

Până atunci, studiile privind propagarea undelor seismice au arătat că o mare parte din Pământ, sub straturile de suprafață mai reci ale mantalei, era lichidă și că exista un nucleu compus din nichel și fier topit. Cercetătorii au teoretizat că mișcarea acestui lichid fierbinte, conducător de electricitate, și rotația Pământului s-au combinat într-un fel pentru a genera câmpul Pământului.

Procesele care stau la baza câmpurilor magnetice misterioase

În cele din urmă, au apărut modele care arătau cum mișcarea convectivă poate amplifica un câmp existent. Acesta este un exemplu de „autoorganizare” – o caracteristică des întâlnită în sistemele dinamice complexe – în care structurile la scară largă se dezvoltă spontan din dinamica la scară mică.

Un proces similar stă la baza Universului. Cu toate acestea, în stele și galaxii și în spațiul dintre ele, fluidul conducător de electricitate nu este metal topit, ci plasmă – o stare a materiei care există la temperaturi extrem de ridicate, unde electronii sunt smulși din atomi. Pe Pământ, plasmele pot fi observate în fulgere sau în luminile de neon.

De unde provine acest câmp inițial? Aici intervine lucrarea recentă a lui Zhou și a colegilor săi, publicată în PNAS. Zhou a dezvoltat teoria de bază și a efectuat simulări numerice pe supercomputere puternice care arată cum poate fi produs câmpul și ce procese fundamentale sunt la lucru.

Un aspect important al plasmei care există între stele și galaxii este faptul că este extraordinar de difuză. Densitățile scăzute înseamnă că particulele din plasmele cosmologice nu se ciocnesc niciodată, ceea ce are efecte importante asupra comportamentului lor.

Unul dintre cele mai profunde mistere din cosmologie

Calculele efectuate de cercetătorii de la MIT au urmărit dinamica din aceste plasme, care s-a dezvoltat pornind de la unde bine ordonate, dar care au devenit turbulente pe măsură ce amplitudinea a crescut și interacțiunile au devenit neliniare.

Cercetătorii au demonstrat că primele câmpuri magnetice pot fi produse spontan prin mișcări generice la scară mare, la fel de simple ca și fluxurile de forfecare. La fel ca în cazul exemplelor terestre, energia mecanică a fost transformată în energie magnetică. Astfel, lucrarea lor reprezintă un model pentru generarea câmpurilor magnetice la scară cosmologică.

Profesorul Ellen Zweibel de la Universitatea Wisconsin din Madison notează că „în ciuda deceniilor de progrese remarcabile în cosmologie, originea câmpurilor magnetice din Univers rămâne necunoscută. Este minunat să vedem cum teoria fizicii plasmei și simularea numerică sunt aduse în fața acestei probleme fundamentale”.

Zhou și colaboratorii vor continua să își perfecționeze modelul. O parte importantă a viitoarelor lor cercetări va consta în a determina dacă procesul poate funcționa pe o scară de timp compatibilă cu observațiile astronomice.

Vă recomandăm să mai citiți și:

Cercetătorii vor să terraformeze planeta Marte cu ajutorul unui câmp magnetic artificial

Astronomii au descoperit cea mai masivă stea pitică de până acum. Are un câmp magnetic de 1 miliard de ori mai puternic decât al Soarelui

Saturn are un câmp magnetic ciudat și simetric. Cercetătorii ar fi înțeles, în sfârșit, de ce

Plantele carnivore din această specie produc un câmp magnetic atunci când se hrănesc