Magnetische velden zijn overal in het universum – planeten, sterren, hele sterrenstelsels – en ze zijn verrassend goed georganiseerd voor iets dat eigenlijk een chaotische puinhoop zou moeten zijn. Decennialang hebben wetenschappers zich het hoofd gebroken over hoe wanorde in de ruimte zulke grootschalige orde kan produceren. Nu denken onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison het ontbrekende stukje te hebben gevonden, en het gaat gepaard met waanzinnig veel rekenwerk.
In een nieuwe studie gepubliceerd in Nature voerde het team supercomputersimulaties uit die zo gedetailleerd waren dat ze 137 miljard rasterpunten in 3D-ruimte gebruikten. Dat is geen typfout. De simulaties, die 0,25 petabyte aan data genereerden en bijna 100 miljoen CPU-uren verbruikten op de Anvil-supercomputer van Purdue University, richtten zich op hoe turbulente plasmastromen spontaan georganiseerde straalachtige structuren kunnen ontwikkelen – en op hun beurt grote magnetische velden creëren.
“Magnetische velden in de kosmos zijn grootschalig en geordend, maar ons begrip van hoe deze velden worden gegenereerd, is dat ze voortkomen uit een soort turbulente beweging,” zei studiehoofdauteur Bindesh Tripathi, een voormalige natuurkundestudent aan UW-Madison die nu aan Columbia University werkt. “Aangezien turbulentie bekend staat als een destructieve kracht, blijft de vraag: hoe creëert het een constructief, grootschalig veld?”
De sleutel, zo ontdekte het team, was het toevoegen van een constant vernieuwde snelheidsgradiënt – in feite verschillende delen van een systeem die met verschillende snelheden bewegen, zoals een fietser die een stoeprand raakt terwijl de fiets stopt maar de berijder doorgaat. Hetzelfde gebeurt in de zon en tijdens neutronensterfusies. Toen de onderzoekers simulaties uitvoerden zonder die gestage grootschalige gradiënt, vormden de georganiseerde magnetische structuren zich nooit. Chaos regeerde. Met de gradiënt? Orde ontstond.
“Dus dat is echt de belangrijkste sleutel: een gestage, grootschalige gradiënt in snelheid hebben,” benadrukte Tripathi.
Dit is niet alleen academisch gepeins. De bevindingen kunnen helpen bij het verklaren van alles, van zwart gatvorming tot neutronensterfusies tot waarom zonnestormen soms recht op de aarde afkomen. En ze kunnen eindelijk een 70 jaar oud mysterie oplossen over magnetische dynamo’s – de processen die magnetische velden genereren – die hardnekkig weigerden de grote, geordende structuren te produceren die astronomen daadwerkelijk waarnemen.
“Magnetische veldgeneratie via dynamo’s is 70 jaar lang uitgebreid bestudeerd, met het frustrerende resultaat dat de gegenereerde velden bijna altijd op kleine schaal en zeer ongeordend eindigen, in tegenstelling tot waarnemingen,” zei Paul Terry, natuurkundeprofessor aan UW-Madison en seniorauteur. “Dit werk lost daarom mogelijk een langdurig probleem op.”
Hoewel we dit niet precies kunnen testen in verre kosmische omgevingen, zijn eerdere laboratoriumexperimenten uit 2012 in het Wisconsin Plasma Physics Laboratory – die bestaande theorieën verbijsterden – nu veel logischer. Dus, gefeliciteerd aan de supercomputer: je hebt ruimtemagnetisme eindelijk iets minder mysterieus gemaakt.