자기장은 우주 어디에나 있다. 행성, 별, 은하 전체에 걸쳐 있으며, 이론상으로는 혼란스러운 난장판이어야 마땅한 것치고는 놀랍도록 잘 정돈되어 있다. 수십 년 동안 과학자들은 우주에서의 무질서가 어떻게 그렇게 큰 규모의 질서를 만들어내는지 머리를 싸매왔다. 이제 위스콘신-매디슨 대학의 연구진이 빠진 조각을 찾은 것 같으며, 그 과정에는 엄청난 숫자 계산이 동원되었다.

네이처에 발표된 새 연구에서 팀은 3차원 공간에 1370억 개의 격자점을 사용할 정도로 정밀한 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 실행했다. 오타가 아니다. 퍼듀 대학의 애닐 슈퍼컴퓨터에서 0.25페타바이트의 데이터를 생성하고 거의 1억 CPU 시간을 소비한 이 시뮬레이션은 난류 플라즈마 흐름이 어떻게 자발적으로 조직된 제트 같은 구조를 발달시키고, 결과적으로 큰 자기장을 만들어내는지에 초점을 맞췄다.

"우주 전반의 자기장은 대규모이고 질서 정연하지만, 이 자기장이 어떻게 생성되는지에 대한 우리의 이해는 그것이 어떤 종류의 난류 운동에서 비롯된다는 것입니다."라고 연구 주저자이자 전 위스콘신-매디슨 물리학 대학원생이었고 현재 컬럼비아 대학에 있는 Bindesh Tripathi가 말했다. "난류가 파괴적인 요소로 알려져 있다는 점을 감안할 때, 어떻게 그것이 건설적인 대규모 장을 만들어내는지가 의문으로 남습니다."

팀이 발견한 핵심은 지속적으로 갱신되는 속도 구배를 추가하는 것이었다. 기본적으로 시스템의 다른 부분이 다른 속도로 움직이는 것인데, 자전거가 연석에 부딪혀 자전거는 멈추지만 라이더는 계속 가는 것과 같다. 태양 내부와 중성자별 병합 중에도 같은 현상이 일어난다. 연구진이 그 꾸준한 대규모 구배 없이 시뮬레이션을 실행했을 때, 조직된 자기 구조는 결코 형성되지 않았다. 혼돈이 지배했다. 구배가 있으면? 질서가 나타났다.

"그래서 그것이 정말 주요 핵심입니다: 속도에 꾸준한 대규모 구배를 갖는 것입니다."라고 Tripathi는 강조했다.

이것은 단지 학문적 관심사만은 아니다. 연구 결과는 블랙홀 형성에서 중성자별 병합, 그리고 왜 태양 폭풍이 때때로 지구를 직접 향하는지에 이르기까지 모든 것을 설명하는 데 도움이 될 수 있다. 그리고 마침내 자기 다이너모(자기장을 생성하는 과정)에 관한 70년 된 미스터리를 풀 수도 있다. 이 다이너모는 천문학자들이 실제로 관측하는 크고 질서 정연한 구조를 만들어내기를 완강히 거부해왔다.

"다이너모를 통한 자기장 생성은 70년 동안 광범위하게 연구되어 왔으며, 생성된 장이 거의 항상 작은 규모로 끝나고 관측과 달리 매우 무질서하다는 실망스러운 결과가 나왔습니다."라고 위스콘신-매디슨의 물리학 교수이자 수석 저자인 Paul Terry가 말했다. "따라서 이 연구는 잠재적으로 오랜 문제를 해결합니다."

먼 우주 환경에서 이것을 정확히 테스트할 수는 없지만, 2012년 위스콘신 플라즈마 물리학 연구소에서 기존 이론을 당황하게 했던 초기 실험 결과가 이제 훨씬 더 이해가 된다. 축하한다, 슈퍼컴퓨터: 드디어 우주 자기장을 약간 덜 신비롭게 만들었다.