Als we de ruimte in kijken, zijn alle astrofysische objecten die we zien ingebed in magnetische velden. Dit geldt niet alleen in de buurt van sterren en planeten, maar ook in de diepe ruimte tussen sterrenstelsels en galactische clusters. Deze velden zijn zwak - meestal veel zwakker dan die van een koelkastmagneet - maar ze zijn dynamisch significant in die zin dat ze diepgaande effecten hebben op de dynamiek van het universum. Ondanks tientallen jaren van intense interesse en onderzoek, blijft de oorsprong van deze kosmische magnetische velden een van de meest diepgaande mysteries in de kosmologie.

In eerder onderzoek kwamen wetenschappers erachter hoe turbulentie, de karnende beweging die alle soorten vloeistoffen gemeen hebben, reeds bestaande magnetische velden kan versterken via het zogenaamde dynamoproces. Maar deze opmerkelijke ontdekking duwde het mysterie nog een stap dieper. Als een turbulente dynamo alleen een bestaand veld zou kunnen versterken, waar kwam dan in de eerste plaats het "zaad" magnetische veld vandaan?

We zouden geen volledig en zelfconsistent antwoord hebben op de oorsprong van astrofysische magnetische velden totdat we begrepen hoe de zaadvelden ontstonden. Nieuw werk uitgevoerd door MIT-afgestudeerde student Muni Zhou, haar adviseur Nuno Loureiro, een professor in nucleaire wetenschappen en techniek aan het MIT, en collega's van Princeton University en de University of Colorado in Boulder, biedt een antwoord dat de basisprocessen laat zien die een veld genereren van een volledig niet-gemagnetiseerde toestand tot het punt waarop het sterk genoeg is voor het dynamomechanisme om het veld over te nemen en te versterken tot de grootheden die we waarnemen.

Magnetische velden zijn overal

Natuurlijk voorkomende magnetische velden zijn overal in het universum te zien. Ze werden duizenden jaren geleden voor het eerst op aarde waargenomen, door hun interactie met gemagnetiseerde mineralen zoals magneetsteen, en gebruikt voor navigatie lang voordat mensen enig begrip hadden van hun aard of oorsprong. Magnetisme op de zon werd aan het begin van de 20e eeuw ontdekt door zijn effecten op het lichtspectrum dat de zon uitstraalde. Sindsdien ontdekten krachtigere telescopen die diep in de ruimte keken, dat de velden alomtegenwoordig waren.

En hoewel wetenschappers al lang hadden geleerd hoe ze permanente magneten en elektromagneten moesten maken en gebruiken, die allerlei praktische toepassingen hadden, bleef de natuurlijke oorsprong van magnetische velden in het universum een ​​mysterie. Recent werk heeft een deel van het antwoord opgeleverd, maar veel aspecten van deze vraag staan ​​nog ter discussie.

Het versterken van magnetische velden:het dynamo-effect

Wetenschappers begonnen over dit probleem na te denken door te kijken naar de manier waarop elektrische en magnetische velden in het laboratorium werden geproduceerd. Wanneer geleiders, zoals koperdraad, in magnetische velden bewegen, ontstaan ​​er elektrische velden. Deze velden, of spanningen, kunnen vervolgens elektrische stromen aandrijven. Zo wordt de elektriciteit opgewekt die we dagelijks gebruiken. Door dit proces van inductie zetten grote generatoren of "dynamo's" mechanische energie om in de elektromagnetische energie die onze huizen en kantoren van stroom voorziet. Een belangrijk kenmerk van dynamo's is dat ze magnetische velden nodig hebben om te werken.

Maar in het universum zijn er geen duidelijke draden of grote staalconstructies, dus hoe ontstaan ​​de velden? De vooruitgang op dit probleem begon ongeveer een eeuw geleden toen wetenschappers nadachten over de bron van het aardmagnetisch veld. Tegen die tijd toonden studies naar de voortplanting van seismische golven aan dat een groot deel van de aarde, onder de koelere oppervlaktelagen van de mantel, vloeibaar was en dat er een kern was die bestond uit gesmolten nikkel en ijzer. Onderzoekers theoretiseerden dat de convectieve beweging van deze hete, elektrisch geleidende vloeistof en de rotatie van de aarde op de een of andere manier gecombineerd om het aardveld te genereren.

Uiteindelijk kwamen er modellen naar voren die lieten zien hoe de convectieve beweging een bestaand veld kon versterken. Dit is een voorbeeld van 'zelforganisatie' - een kenmerk dat vaak wordt gezien in complexe dynamische systemen - waarbij grootschalige structuren spontaan groeien uit kleinschalige dynamiek. Maar net als in een elektriciteitscentrale had je een magnetisch veld nodig om een ​​magnetisch veld te maken.

Een soortgelijk proces is overal in het universum aan het werk. In sterren en sterrenstelsels en in de ruimte ertussen is de elektrisch geleidende vloeistof echter geen gesmolten metaal, maar plasma - een toestand van materie die bestaat bij extreem hoge temperaturen waarbij de elektronen van hun atomen worden weggerukt. Op aarde zijn plasma's te zien in bliksem of neonlichten. In zo'n medium kan het dynamo-effect een bestaand magnetisch veld versterken, op voorwaarde dat het op een minimaal niveau begint.

Het maken van de eerste magnetische velden

Waar komt dit zaadveld vandaan? Dat is waar het recente werk van Zhou en haar collega's, gepubliceerd op 5 mei in PNAS , komt binnen. Zhou ontwikkelde de onderliggende theorie en voerde numerieke simulaties uit op krachtige supercomputers die laten zien hoe het zaadveld kan worden geproduceerd en welke fundamentele processen aan het werk zijn. Een belangrijk aspect van het plasma dat tussen sterren en sterrenstelsels bestaat, is dat het buitengewoon diffuus is - meestal ongeveer één deeltje per kubieke meter. Dat is een heel andere situatie dan het binnenste van sterren, waar de deeltjesdichtheid ongeveer 30 ordes van grootte hoger is. Door de lage dichtheden botsen de deeltjes in kosmologische plasma's nooit, wat belangrijke effecten op hun gedrag heeft die meegenomen moesten worden in het model dat deze onderzoekers aan het ontwikkelen waren.

Berekeningen uitgevoerd door de MIT-onderzoekers volgden de dynamiek in deze plasma's, die zich ontwikkelden uit goed geordende golven maar turbulent werden naarmate de amplitude groeide en de interacties sterk niet-lineair werden. Door gedetailleerde effecten van de plasmadynamica op kleine schaal op macroscopische astrofysische processen op te nemen, toonden ze aan dat de eerste magnetische velden spontaan kunnen worden geproduceerd door generieke grootschalige bewegingen zo eenvoudig als afgeschoven stromen. Net als de aardse voorbeelden werd mechanische energie omgezet in magnetische energie.

Een belangrijke output van hun berekening was de amplitude van het verwachte spontaan gegenereerde magnetische veld. Dit toonde aan dat de veldamplitude zou kunnen stijgen van nul tot een niveau waarop het plasma wordt "gemagnetiseerd" - dat wil zeggen, waar de plasmadynamiek sterk wordt beïnvloed door de aanwezigheid van het veld. Op dit punt kan het traditionele dynamomechanisme het overnemen en de velden verhogen tot het waargenomen niveau. Hun werk vertegenwoordigt dus een zelfconsistent model voor het genereren van magnetische velden op kosmologische schaal.

Professor Ellen Zweibel van de Universiteit van Wisconsin in Madison merkt op dat "ondanks decennia van opmerkelijke vooruitgang in de kosmologie, de oorsprong van magnetische velden in het universum onbekend blijft. Het is geweldig om de nieuwste plasmafysica-theorie en numerieke simulatie te zien betrokken bij dit fundamentele probleem."

Zhou en collega's zullen doorgaan met het verfijnen van hun model en het bestuderen van de overdracht van het genereren van het zaadveld naar de versterkingsfase van de dynamo. Een belangrijk onderdeel van hun toekomstig onderzoek zal zijn om te bepalen of het proces kan werken op een tijdschaal die consistent is met astronomische waarnemingen. Om de onderzoekers te citeren:"Dit werk biedt de eerste stap in het bouwen van een nieuw paradigma voor het begrijpen van magnetogenese in het universum." + Verder verkennen

Onmiddellijke omslag van magnetisme door gyrobeweging van relativistische elektronen

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.