Magnetfält finns överallt i universum – planeter, stjärnor, hela galaxer – och de är förvånansvärt välorganiserade för något som borde vara ett kaotiskt virrvarr. I årtionden har forskare klurat på hur oordning i rymden kan producera sådan storskalig ordning. Nu tror forskare vid University of Wisconsin-Madison att de har hittat den saknade pusselbiten, och det involverar en hel del massivt räknande.

I en ny studie publicerad i Nature körde teamet superdatorkörningar så detaljerade att de använde 137 miljarder rutnätspunkter i 3D-rymden. Det är inget skrivfel. Simuleringarna, som genererade 0,25 petabyte data och förbrukade nästan 100 miljoner CPU-timmar på Purdue Universitys superdator Anvil, fokuserade på hur turbulenta plasmaflöden spontant kan utveckla organiserade jetliknande strukturer – och i sin tur skapa stora magnetfält.

”Magnetfält över kosmos är storskaliga och ordnade, men vår förståelse för hur dessa fält genereras är att de kommer från någon form av turbulent rörelse”, säger studiens huvudförfattare Bindesh Tripathi, tidigare doktorand i fysik vid UW-Madison, nu vid Columbia University. ”Med tanke på att turbulens är känt för att vara en destruktiv kraft, kvarstår frågan: hur skapar den ett konstruktivt, storskaligt fält?”

Nyckeln, fann teamet, var att lägga till en ständigt förnyad hastighetsgradient – i princip olika delar av ett system som rör sig i olika hastigheter, som en cyklist som kör in i en trottoarkant medan cykeln stannar men cyklisten fortsätter. Samma sak händer inuti solen och under neutronstjärnekollisioner. När forskarna körde simuleringar utan den stadiga storskaliga gradienten bildades aldrig de organiserade magnetiska strukturerna. Kaos rådde. Med gradienten? Ordning uppstod.

”Så det är verkligen huvudnyckeln: att ha en stadig, storskalig gradient i hastighet”, betonade Tripathi.

Det här är inte bara akademiskt navelskådande. Resultaten kan hjälpa till att förklara allt från svarta håls bildning till neutronstjärnekollisioner till varför solstormar ibland riktas rakt mot jorden. Och de kan äntligen lösa ett 70 år gammalt mysterium om magnetiska dynamos – processerna som genererar magnetfält – som envist har vägrat att producera de stora, ordnade strukturer som astronomer faktiskt observerar.

”Magnetfältsgenerering via dynamos har studerats ingående i 70 år, med det frustrerande resultatet att de genererade fälten nästan alltid hamnar på små skalor och är mycket oordnade, till skillnad från observationer”, säger Paul Terry, fysikprofessor vid UW-Madison och senior författare. ”Detta arbete löser därför potentiellt en långvarig fråga.”

Även om vi inte exakt kan testa detta i avlägsna kosmiska miljöer, så blir tidigare labbexperiment från 2012 vid Wisconsin Plasma Physics Laboratory – som förbryllade existerande teorier – nu mycket mer begripliga. Så, grattis till superdatorn: du har äntligen gjort rymdmagnetismen lite mindre mystisk.