Магнитные поля повсюду во Вселенной — планеты, звезды, целые галактики — и они на удивление хорошо организованы для того, что по всем законам должно быть хаотическим беспорядком. Десятилетиями ученые ломали головы над тем, как беспорядок в космосе умудряется порождать такой крупномасштабный порядок. Теперь исследователи из Висконсинского университета в Мадисоне считают, что нашли недостающий кусочек пазла, и для этого потребовались поистине гигантские вычислительные мощности.

В новом исследовании, опубликованном в Nature, команда провела суперкомпьютерные симуляции настолько детальные, что использовала 137 миллиардов точек сетки в трехмерном пространстве. Это не опечатка. Симуляции, сгенерировавшие 0,25 петабайта данных и поглотившие почти 100 миллионов процессоро-часов на суперкомпьютере Anvil в Университете Пердью, были сосредоточены на том, как турбулентные потоки плазмы могут спонтанно развивать организованные струйные структуры и, в свою очередь, создавать крупные магнитные поля.

«Магнитные поля по всему космосу крупномасштабны и упорядочены, но наше понимание того, как эти поля генерируются, сводится к тому, что они возникают из какого-то турбулентного движения», — сказал ведущий автор исследования Биндеш Трипати, бывший аспирант-физик из Висконсинского университета, ныне работающий в Колумбийском университете. «Учитывая, что турбулентность известна как разрушительный агент, остается вопрос: как она создает конструктивное крупномасштабное поле?»

Ключом, как обнаружила команда, стало добавление постоянно обновляемого градиента скорости — по сути, разные части системы движутся с разной скоростью, как велосипедист, врезающийся в бордюр: велосипед останавливается, а седок продолжает лететь. То же самое происходит внутри Солнца и при слиянии нейтронных звезд. Когда исследователи запускали симуляции без этого устойчивого крупномасштабного градиента, организованные магнитные структуры никогда не формировались. Хаос правил бал. С градиентом? Порядок возник.

«Так что это действительно главный ключ: иметь устойчивый крупномасштабный градиент скорости», — подчеркнул Трипати.

Это не просто академические упражнения. Результаты могут помочь объяснить все — от формирования черных дыр до слияния нейтронных звезд и того, почему солнечные бури иногда направляются прямо на Землю. И они, наконец, могут разрешить 70-летнюю загадку магнитных динамо — процессов, генерирующих магнитные поля, — которые упорно отказывались создавать крупные упорядоченные структуры, наблюдаемые астрономами.

«Генерация магнитных полей с помощью динамо интенсивно изучалась в течение 70 лет, с разочаровывающим результатом: генерируемые поля почти всегда оказываются мелкомасштабными и сильно неупорядоченными, в отличие от наблюдений», — сказал Пол Терри, профессор физики в Висконсинском университете и старший автор. «Таким образом, эта работа потенциально разрешает давнюю проблему».

Хотя мы не можем точно проверить это в далеких космических средах, более ранние лабораторные эксперименты 2012 года в Висконсинской лаборатории физики плазмы, которые ставили в тупик существующие теории, теперь обретают гораздо больше смысла. Так что поздравляем суперкомпьютер: ты наконец сделал космический магнетизм чуть менее загадочным.