المجالات المغناطيسية موجودة في كل مكان في الكون - الكواكب والنجوم والمجرات بأكملها - وهي منظمة بشكل مدهش لشيء يفترض به، بكل الحق، أن يكون فوضى عارمة. لعقود، حك العلماء رؤوسهم حيرة حول كيف تنتج الفوضى في الفضاء مثل هذا النظام واسع النطاق. الآن، يعتقد باحثون في جامعة ويسكونسن-ماديسون أنهم وجدوا القطعة المفقودة، وهي تتضمن بعض الحسابات الرقمية الضخمة حقًا.
في دراسة جديدة نُشرت في مجلة نيتشر، أجرى الفريق محاكاة حاسوبية فائقة التفصيل استخدمت 137 مليار نقطة شبكية في الفضاء ثلاثي الأبعاد. هذا ليس خطأ مطبعي. ركزت المحاكاة، التي ولدت 0.25 بيتابايت من البيانات واستهلكت ما يقرب من 100 مليون ساعة معالجة مركزية على حاسوب أنفيل الفائق في جامعة بوردو، على كيفية تطور تدفقات البلازما المضطربة تلقائيًا إلى هياكل شبيهة بالنفاثات منظمة - وبالتالي، إنشاء مجالات مغناطيسية كبيرة.
وقال باحث الدراسة الرئيسي بينديش تريباثي، طالب دراسات عليا سابق في الفيزياء بجامعة ويسكونسن-ماديسون ويعمل الآن في جامعة كولومبيا: "المجالات المغناطيسية عبر الكون واسعة النطاق ومنظمة، لكن فهمنا لكيفية توليد هذه المجالات هو أنها تأتي من نوع من الحركة المضطربة. بالنظر إلى أن الاضطراب معروف كعامل مدمر، يبقى السؤال: كيف يخلق مجالًا بناءً واسع النطاق؟"
المفتاح، كما وجد الفريق، كان إضافة تدرج سرعة متجدد باستمرار - أساسًا، أجزاء مختلفة من النظام تتحرك بسرعات مختلفة، مثل راكب دراجة يصطدم بحافة الرصيف بينما تتوقف الدراجة لكن الراكب يستمر. يحدث الشيء نفسه داخل الشمس وأثناء اندماج النجوم النيوترونية. عندما أجرى الباحثون محاكاة بدون ذلك التدرج الواسع النطاق الثابت، لم تتشكل الهياكل المغناطيسية المنظمة أبدًا. سادت الفوضى. مع التدرج؟ ظهر النظام.
"إذن هذا هو المفتاح الرئيسي حقًا: وجود تدرج ثابت واسع النطاق في السرعة،" أكد تريباثي.
هذا ليس مجرد تفكير أكاديمي. يمكن أن تساعد النتائج في تفسير كل شيء من تشكل الثقوب السوداء إلى اندماج النجوم النيوترونية إلى سبب توجيه العواصف الشمسية أحيانًا مباشرة نحو الأرض. وقد تحل أخيرًا لغزًا عمره 70 عامًا حول الدينامو المغناطيسي - العمليات التي تولد المجالات المغناطيسية - والتي رفضت بعناد إنتاج الهياكل الكبيرة المنظمة التي يرصدها علماء الفلك.
قال بول تيري، أستاذ الفيزياء في جامعة ويسكونسن-ماديسون والمؤلف الكبير: "تمت دراسة توليد المجال المغناطيسي عبر الدينامو على نطاق واسع لمدة 70 عامًا، مع النتيجة المحبطة أن المجالات المتولدة تنتهي دائمًا تقريبًا بمقاييس صغيرة وغير منظمة بشكل كبير، على عكس الملاحظات. لذلك، يحل هذا العمل المحتمل مشكلة طويلة الأمد."
بينما لا يمكننا اختبار هذا بالضبط في البيئات الكونية البعيدة، فإن التجارب المخبرية السابقة من عام 2012 في مختبر فيزياء البلازما في ويسكونسن - التي حيرت النظريات الحالية - أصبحت الآن منطقية أكثر. لذا، تهانينا للحاسوب الفائق: لقد جعلت المغناطيسية الفضائية أقل غموضًا بعض الشيء.