İlk prensipler sayısal simülasyonunda manyetize edilmemiş plazmanın büyük ölçekli hareketlerinden ortaya çıkan filamentli tohum manyetik alanlarının görselleştirilmesi. Kredi: Araştırmacıların izniyle oluşturma
dinamiklerini inceleyerek plazma türbülans, MİT araştırmacılar, kozmolojik manyetik alanların kökenlerinin gizemlerinden birini çözmeye yardımcı oluyorlar.
Kozmolojideki en derin gizemlerden biri, nispeten zayıf olmasına rağmen evrenin dinamikleri üzerinde dramatik bir etkiye sahip olan geniş kozmik manyetik alanların kökenidir. Şimdi, yeni araştırmalar sonunda bu gizemli kozmolojik manyetik alanların kökenindeki temel süreçleri bulmuş olabilir.
Uzaya baktığımızda gördüğümüz tüm astrofiziksel nesneler manyetik alanlarla çevrilidir. Bu, yalnızca yıldızların ve gezegenlerin komşuluğunda değil, aynı zamanda galaksiler ve galaktik kümeler arasındaki derin uzayda da geçerlidir. Bu alanlar zayıftır – tipik olarak bir buzdolabı mıknatısınınkinden çok daha zayıftır – ancak evrenin dinamikleri üzerinde derin etkileri olması bakımından dinamik olarak önemlidirler. Onlarca yıllık yoğun ilgi ve araştırmaya rağmen, bu kozmik manyetik alanların kökeni kozmolojideki en temel gizemlerden biri olmaya devam ediyor.
Önceki araştırmalarda, bilim adamları, her tür sıvı için ortak olan çalkalama hareketi olan türbülansın, sözde dinamo süreci aracılığıyla önceden var olan manyetik alanları nasıl güçlendirebileceğini anlamaya başladılar. Ancak bu olağanüstü keşif, gizemi bir adım daha derine itti. Çalkantılı bir dinamo sadece var olan bir alanı güçlendirebiliyorsa, “tohum” manyetik alanı ilk etapta nereden geldi?
Tohum alanlarının nasıl ortaya çıktığını anlayana kadar astrofiziksel manyetik alanların kökenine dair eksiksiz ve kendi içinde tutarlı bir cevabımız olmayacaktı. MIT yüksek lisans öğrencisi Muni Zhou, danışmanı Nuno Loureiro, MIT’de nükleer bilim ve mühendislik profesörü ve meslektaşları tarafından yürütülen yeni çalışma. Princeton Üniversitesi ve Boulder’daki Colorado Üniversitesi, tamamen manyetize edilmemiş bir durumdan, dinamo mekanizmasının devralması ve alanı gözlemlediğimiz büyüklüklere yükseltmesi için yeterince güçlü olduğu noktaya kadar bir alan oluşturan temel süreçleri gösteren bir cevap sağlar.
Manyetik Alanlar Her Yerde
Doğal olarak oluşan manyetik alanlar evrenin her yerinde görülür. İlk olarak binlerce yıl önce, mıknatıs taşı gibi manyetize edilmiş minerallerle etkileşimleri yoluyla Dünya’da gözlemlendiler ve insanların doğalarını veya kökenlerini anlamalarından çok önce navigasyon için kullanıldılar. Güneş üzerindeki manyetizma, 20. yüzyılın başında, güneşin yaydığı ışık spektrumu üzerindeki etkileriyle keşfedildi. O zamandan beri, uzayın derinliklerine bakan daha güçlü teleskoplar, alanların her yerde bulunduğunu keşfetti.
Bilim adamları, her türlü pratik uygulamaya sahip olan kalıcı mıknatısların ve elektromıknatısların nasıl yapıldığını ve kullanılacağını uzun süredir öğrenirken, evrendeki manyetik alanların doğal kökenleri bir sır olarak kaldı. Son çalışmalar cevabın bir kısmını sağladı, ancak bu sorunun birçok yönü hala tartışılıyor.
Manyetik Alanları Güçlendirmek — Dinamo Etkisi
Bilim adamları, laboratuvarda elektrik ve manyetik alanların üretilme şeklini göz önünde bulundurarak bu sorunu düşünmeye başladılar. Bakır tel gibi iletkenler manyetik alanlarda hareket ettiğinde elektrik alanları oluşur. Bu alanlar veya voltajlar daha sonra elektrik akımlarını sürdürebilir. Her gün kullandığımız elektrik bu şekilde üretilir. Bu indüksiyon süreci sayesinde, büyük jeneratörler veya “dinamolar” mekanik enerjiyi evlerimize ve ofislerimize güç sağlayan elektromanyetik enerjiye dönüştürür. Dinamoların önemli bir özelliği, çalışmak için manyetik alanlara ihtiyaç duymalarıdır.
Ama evrende belirgin teller veya büyük çelik yapılar yok, peki alanlar nasıl ortaya çıkıyor? Bu problemdeki ilerleme, bilim adamlarının Dünya’nın manyetik alanının kaynağını düşünmesiyle yaklaşık bir asır önce başladı. O zamana kadar, sismik dalgaların yayılımı üzerine yapılan araştırmalar, mantonun daha soğuk yüzey katmanlarının altındaki Dünya’nın çoğunun sıvı olduğunu ve erimiş nikel ve demirden oluşan bir çekirdek olduğunu gösterdi. Araştırmacılar, bu sıcak, elektriksel olarak iletken sıvının konvektif hareketinin ve Dünya’nın dönüşünün bir şekilde Dünya’nın alanını oluşturmak için birleştiğini teorileştirdiler.
Sonunda, konvektif hareketin mevcut bir alanı nasıl güçlendirebileceğini gösteren modeller ortaya çıktı. Bu, büyük ölçekli yapıların küçük ölçekli dinamiklerden kendiliğinden büyüdüğü karmaşık dinamik sistemlerde sıklıkla görülen bir özellik olan “kendi kendine örgütlenme” örneğidir. Ama tıpkı bir elektrik santralinde olduğu gibi, bir manyetik alan oluşturmak için bir manyetik alana ihtiyacınız vardı.
Evrenin her yerinde benzer bir süreç iş başındadır. Bununla birlikte, yıldızlarda ve galaksilerde ve aralarındaki boşlukta, elektriği ileten sıvı erimiş metal değil, plazmadır – elektronların atomlarından koptuğu son derece yüksek sıcaklıklarda var olan bir madde durumu. Dünya’da plazmalar yıldırım veya neon ışıklarında görülebilir. Böyle bir ortamda, dinamo etkisi, minimum düzeyde başlaması koşuluyla mevcut bir manyetik alanı güçlendirebilir.
İlk Manyetik Alanları Yapmak
Bu tohum tarlası nereden geliyor? Zhou ve meslektaşlarının 5 Mayıs’ta yayınlanan son çalışmalarının yer aldığı yer burasıdır. PNAS, Zhou, temel teoriyi geliştirdi ve tohum alanının nasıl üretilebileceğini ve hangi temel süreçlerin iş başında olduğunu gösteren güçlü süper bilgisayarlar üzerinde sayısal simülasyonlar gerçekleştirdi. Yıldızlar ve galaksiler arasında bulunan plazmanın önemli bir yönü, olağandışı biçimde dağınık olmasıdır – tipik olarak metreküp başına yaklaşık bir parçacık. Bu, parçacık yoğunluğunun yaklaşık 30 büyüklük mertebesi daha yüksek olduğu yıldızların iç kısmından çok farklı bir durumdur. Düşük yoğunluklar, kozmolojik plazmalardaki parçacıkların asla çarpışmadığı anlamına gelir, bu da davranışları üzerinde bu araştırmacıların geliştirmekte olduğu modele dahil edilmesi gereken önemli etkilere sahiptir.
MIT araştırmacıları tarafından gerçekleştirilen hesaplamalar, iyi düzenlenmiş dalgalardan gelişen ancak genlik büyüdükçe ve etkileşimler kuvvetle doğrusal olmayan hale geldikçe türbülanslı hale gelen bu plazmalardaki dinamikleri takip etti. Plazma dinamiğinin küçük ölçeklerdeki ayrıntılı etkilerini makroskopik astrofiziksel süreçlere dahil ederek, ilk manyetik alanların, kaymalı akışlar kadar basit, genel büyük ölçekli hareketlerle kendiliğinden üretilebileceğini gösterdiler. Tıpkı karasal örneklerde olduğu gibi, mekanik enerji de manyetik enerjiye dönüştürülmüştür.
Hesaplamalarının önemli bir çıktısı, beklenen kendiliğinden oluşan manyetik alanın genliğiydi. Bunun gösterdiği şey, alan genliğinin sıfırdan plazmanın “manyetize” olduğu, yani plazma dinamiklerinin alanın varlığından güçlü bir şekilde etkilendiği bir düzeye yükselebileceğiydi. Bu noktada geleneksel dinamo mekanizması devreye girerek alanları gözlemlenen seviyelere yükseltebilir. Bu nedenle, çalışmaları kozmolojik ölçekte manyetik alanların üretimi için kendi içinde tutarlı bir modeli temsil eder.
Madison’daki Wisconsin Üniversitesi’nden Profesör Ellen Zweibel, “kozmolojide onlarca yıllık kayda değer ilerlemeye rağmen, evrendeki manyetik alanların kökeni hala bilinmiyor. En son teknoloji plazma fiziği teorisini ve sayısal simülasyonu bu temel soruna dayandırdığını görmek harika.”
Zhou ve iş arkadaşları, modellerini iyileştirmeye ve tohum tarlasının oluşumundan dinamonun amplifikasyon aşamasına geçişi incelemeye devam edecekler. Gelecekteki araştırmalarının önemli bir kısmı, sürecin astronomik gözlemlerle tutarlı bir zaman ölçeğinde çalışıp çalışmayacağını belirlemek olacaktır. Araştırmacılardan alıntı yapmak gerekirse, “Bu çalışma, evrendeki manyetogenezi anlamak için yeni bir paradigmanın inşasında ilk adımı sağlıyor.”
Referans: Muni Zhou, Vladimir Zhdankin, Matthew W. Kunz, Nuno F. Loureiro ve Dmitri A. Uzdensky, 5 Mayıs 2022, Proceedings of the National Academy of Sciences, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2119831119
Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı KARİYER Ödülü ve Geleceğin Araştırmacıları tarafından finanse edildi. NASA Dünya ve Uzay Bilimi Teknolojisi (FINESST) hibesi.