Вселенная считается крайне магнитным местом, где у многих планет и звезд есть свои магнитные поля. Астрофизики давно изучают эти удивительные явления, создавая теории, способные объяснить сам механизм создания.
При помощи одной из мощнейших лазерных установок в мире исследователи из Университета Чикаго экспериментально подтвердили одну из популярнейших теорий создания космического магнитного поля – турбулентное динамо. Сформировав раскаленную турбулентную плазму размером с копейку и длящуюся несколько миллиардов долей секунды, ученые зафиксировали, как турбулентные движения усиливают слабое магнитное поле до сильных сторон, наблюдаемых на нашем Солнце и в отдаленных галактиках.
Для анализа использовали код моделирования FLASH, а сам эксперимент провели на OMEGA Laser Facility (Рочестер, Нью-Йорк), где и воссоздали турбулентные условия динамо. Эксперимент показал, что турбулентная плазма способна резко увеличить слабое магнитное поле до величины, наблюдаемой в звездах и галактиках.
Теперь ученые знают, что существует турбулентное динамо и это один из механизмов, фактически объясняющих намагниченность Вселенной. Механическое динамо создает электрический ток через вращение катушек в магнитном поле. В астрофизике теория динамо указывает на обратное: движение электропроводящей жидкости создает и поддерживает магнитное поле. В начале XX века Джозеф Лармом предположил, что такой механизм мог объяснить земной и солнечный магнетизм, открыв дискуссию для множества ученых.
Численное моделирование указывало на возможность турбулентной плазмы генерировать магнитные поля в звездных масштабах, но создать турбулентное динамо в лабораторных условиях гораздо сложнее. Чтобы подтвердить теорию, нужно вывести плазму при крайне высоком температурном режиме. При этом должно присутствовать непостоянство, чтобы сформировался достаточный уровень турбулентности.
Чтобы провести эксперимент, ученые использовали несколько сотен 3D-симуляций с FLASH на суперкомпьютере Mira. Финальная установка включала взрывные части фольги с мощными лазерами, перемещающими две струи плазмы через решетки, благодаря чему формировалось турбулентное движение жидкости.
Также команда использовала модели FLASH для разработки двух независимых методов измерения магнитного поля, создаваемого плазмой: протонная радиография и поляризованный свет. Оба измерения отслеживали рост наносекунды магнитного поля от слабого стартового состояния до увеличения больше 100 килогаусс (в миллион раз сильнее земного магнитного поля).
Эта работа позволяет экспериментально проверить идеи о происхождении магнитных полей в пространстве. Теперь исследователи могут изучить более глубокие вопросы: насколько быстро увеличивается магнитное поле, насколько сильна область и как меняется турбулентность?