Наскільки швидко галактика може створити впорядковані магнітні поля, що охоплюють тисячі світлових років? Існуючі теорії кажуть про кілька мільярдів років, але спостереження галактик у нашому Всесвіті натякають на коротші часові проміжки. У новому дослідженні науковці пропонують пояснення, яке розв’язує цю суперечність.
Обмеження теорії динамо
Майже вся видима матерія у нашому Всесвіті перебуває у вигляді плазми, яку можуть перемішувати сили, пов’язані з гравітацією, градієнтами температури та обертанням. Якщо це призводить до турбулентного потоку, теорія динамо передбачає, що існуючі магнітні поля у плазмі підсилюються. Теорія динамо є нашою основною рамкою для розуміння походження космічних магнітних полів.
Паллаві, доцент Міжнародного центру теоретичних наук (ICTS) та автор дослідження, стверджує, що теорія динамо має свої обмеження. Зокрема, вона має труднощі з поясненням спостережень молодих галактик із потужними магнітними полями на тисячах світлових років.
Як колапсуючі хмари посилюють динамо
Нове дослідження вивчає, як динамо може функціонувати по-іншому під час формування галактик. Воно розглядає іонізовану газову хмару, що колапсує під дією гравітації — стадію, під час якої формуються галактики. «Коли галактика формується, сама гравітація може перемішувати плазму, що може посилювати магнітні поля», — каже Іршад, аспірант ICTS та провідний автор статті.
За допомогою аналітичних розрахунків команда змогла показати, що таке перемішування плазми, яке відбувається під час колапсу, може прискорювати формування магнітних полів. Внаслідок цього спостережувані магнітні поля могли встановлюватися значно швидше, ніж вважалося раніше.
Причина цього, за їхніми словами, полягає у зміні турбулентного потоку плазми під час колапсу. Однією з характеристик турбулентних потоків є завихрення, подібні до тих, які ми бачимо у струмках води. Швидкість росту магнітного поля залежить від «частоти обертання» цих завихрень.
Команда виявила, що ця частота обертання збільшується у міру колапсу хмари, що призводить до прискореного «суперекспоненційного» росту магнітних полів, пояснюючи, як магнітні поля могли формуватися швидше у молодших галактиках. Через чисельний аналіз команда також показала, що поле, що таким чином утворюється, є сильнішим, ніж очікувалося за стандартною теорією динамо.
Математичні структури для пояснення колапсу
У своєму дослідженні команда застосовує математичну конструкцію, яку в космології використовують для врахування розширення Всесвіту. «Фактично ці координати зводять рівняння для колапсуючої галактики до вигляду, характерного для статичної системи, що значно спрощує розрахунки, — каже Іршад. — Це добре працює для рівномірного сферичного колапсу, однак для опису реалістичніших випадків підхід потрібно буде розширити».
Паллаві каже, що в цьому «нульовому питанні порядку, яке ви ставите про часові межі», теж ще багато чого доведеться дізнатися. Наприклад, були спроби створити комп’ютерні моделі формування структури у Всесвіті. Це дослідження може передбачити, як швидко у Всесвіті формуються магнітні поля, що дозволяє науковцям тестувати та удосконалювати свої моделі.
Хоча магнітні сили зазвичай відіграють значно меншу роль, ніж гравітація, у формуванні космічних структур, нове дослідження свідчить, що потужні впорядковані магнітні поля могли виникнути раніше й впливати на еволюцію Всесвіту довше, ніж вважалося раніше.
За матеріалами phys.org
