磁場は宇宙の至る所にある——惑星、恒星、銀河全体——そして、本来なら混沌のカオスであるべきものが、驚くほど整然としている。何十年もの間、科学者たちは宇宙の無秩序がどうやって大規模な秩序を生み出すのか頭を悩ませてきた。今、ウィスコンシン大学マディソン校の研究者たちが、その欠けていたピースを見つけたと考えている。それには、とてつもない数の計算が関わっている。
『Nature』に掲載された新しい研究で、チームは3次元空間に1370億もの格子点を使った、非常に詳細なスーパーコンピュータシミュレーションを実行した。タイプミスではない。このシミュレーションは0.25ペタバイトのデータを生成し、パデュー大学のAnvilスーパーコンピュータで約1億CPU時間を消費した。焦点は、乱流プラズマ流がどのように自発的に組織化されたジェット状の構造を発達させ、その結果として大規模な磁場を生成するかにある。
「宇宙全体の磁場は大規模で秩序立っていますが、これらの磁場がどのように生成されるかについての私たちの理解は、それらが何らかの乱流運動から生じるというものです」と、研究の主著者で、元ウィスコンシン大学マディソン校の物理学大学院生で現在はコロンビア大学に所属するビンデシュ・トリパシ氏は述べた。「乱流は破壊的な作用として知られていることを考えると、どのようにして建設的で大規模な場を生み出すのかという疑問が残ります。」
チームが見つけた鍵は、常に更新される速度勾配を追加することだった。基本的には、自転車が縁石にぶつかり自転車は止まるがライダーは前に飛び出すように、システムの異なる部分が異なる速度で動くことだ。同じことが太陽内部や中性子星の合体でも起こる。研究者たちがその安定した大規模勾配なしでシミュレーションを実行すると、組織化された磁気構造は決して形成されなかった。混沌が支配した。勾配があると？秩序が現れた。
「つまり、それが本当の鍵です：速度に安定した大規模勾配を持つことです」とトリパシ氏は強調した。
これは単なる学術的な自己満足ではない。この発見は、ブラックホールの形成から中性子星の合体、太陽嵐がなぜ時々地球を直撃するのかまで、あらゆることを説明する助けとなるかもしれない。そして、70年にわたる磁気ダイナモ（磁場を生成するプロセス）の謎を最終的に解決するかもしれない。ダイナモは、天文学者が実際に観測するような大規模で秩序立った構造を頑なに生成しなかったのだ。
「ダイナモによる磁場生成は70年にわたって広く研究されてきましたが、生成される磁場はほとんど常に小規模で高度に無秩序であり、観測結果とは異なるという frustrating な結果が続いていました」と、ウィスコンシン大学マディソン校の物理学教授で上級著者のポール・テリー氏は述べた。「したがって、この研究は長年の問題を解決する可能性があります。」
遠く離れた宇宙環境でこれを実際にテストすることはできませんが、2012年にウィスコンシン・プラズマ物理学研究所で行われた初期の実験——既存の理論を困惑させた——は、今でははるかに理にかなっている。というわけで、スーパーコンピュータにおめでとう：ついに宇宙の磁気を少しだけ謎めかなくした。