Los campos magnéticos se encuentran en todas partes del universo, desde planetas y estrellas hasta galaxias enteras. Estas fuerzas invisibles influyen en los principales acontecimientos y procesos cósmicos, incluidas las tormentas solares, el movimiento de partículas de alta energía e incluso la formación de galaxias. Si bien los campos magnéticos pequeños suelen ser caóticos y turbulentos, muchas estructuras magnéticas grandes están sorprendentemente organizadas. Durante décadas, los científicos han luchado por explicar cómo el caos en el espacio puede crear orden a tan gran escala.
Ahora, investigadores dirigidos por científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison creen haber descubierto la pieza que faltaba del rompecabezas.
Un nuevo estudio publicado en la naturalezaEl equipo utilizó simulaciones por computadora muy detalladas para estudiar el flujo de plasma. Sus resultados sugieren que pueden surgir grandes campos magnéticos cuando el plasma turbulento desarrolla flujos organizados en forma de chorro. El descubrimiento introduce una nueva explicación de cómo se forman los campos magnéticos cósmicos y podría ayudar a los científicos a comprender mejor todo, desde la formación de agujeros negros hasta el clima espacial cercano a la Tierra.
“Los campos magnéticos son de gran escala y ordenados en todo el universo, pero nuestra comprensión de cómo se forman estos campos es que provienen de una especie de movimiento turbulento”, dijo el autor principal del estudio Veesh Tripathi, ex estudiante graduado en física de la UW-Madison y actual investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia. “Dado que se sabe que la turbulencia es un agente destructivo, la pregunta sigue siendo: ¿cómo crea un campo constructivo a gran escala?”
Buscando orden en la turbulencia cósmica
Antes de centrarse en campos magnéticos tridimensionales (3D), Tripathi estudió sistemas que implican flujo de fluidos y campos magnéticos bidimensionales (2D). Al examinar imágenes y vídeos de turbulencias magnéticas en 3D, notó que las estructuras magnéticas a gran escala se parecían a patrones de flujo a gran escala.
Sin embargo, aplicar la dinámica de fluidos directamente a los campos magnéticos no fue sencillo. Los problemas de flujo de fluidos a menudo se pueden simplificar a dos dimensiones, pero la generación del campo magnético debe resolverse en un espacio 3D completo, lo que dificulta los cálculos.
Para abordar el desafío, los investigadores modificaron dos aspectos importantes de investigaciones anteriores.
El primero implica agregar un gradiente continuo de velocidad de renovación a las simulaciones. Un gradiente de velocidad ocurre cuando diferentes partes de un sistema se mueven a diferentes velocidades. Por ejemplo, un ciclista que de repente choca contra una acera experimenta un fuerte gradiente de velocidad cuando la bicicleta se detiene pero el ciclista acelera hacia adelante. Se observan efectos similares en todo el universo, incluso dentro del Sol y durante las fusiones de estrellas de neutrones. El equipo sospechaba que estos gradientes podrían desempeñar un papel importante en la configuración de los campos magnéticos.
Simulaciones masivas por supercomputadora revelan un patrón
El segundo paso importante fue la potencia informática. Los investigadores llevaron a cabo lo que podría ser la simulación más detallada de campos magnéticos que interactúan con gradientes de velocidad inestables. Su modelo utilizó 137 mil millones de puntos de cuadrícula en el espacio 3D.
En total, el equipo realizó aproximadamente 90 simulaciones, generando 0,25 petabytes de datos y utilizando casi 100 millones de horas de CPU en la supercomputadora Anvil de la Universidad Purdue.
“Comenzamos nuestras simulaciones con un flujo que tiene un gradiente de velocidad, luego agregamos alguna pequeña perturbación, como una partícula fluida que se mueve en el infinito, dejamos que esa perturbación se propague por el sistema y crezca, y luego analizamos los datos a lo largo del tiempo”, dice Tripathi. “Al principio, estas perturbaciones provocan flujos turbulentos y campos magnéticos en estructuras de pequeña escala y luego, con el tiempo, emergen en estructuras más grandes y ordenadas”.
Cuando los investigadores repitieron las simulaciones sin mantener gradientes de velocidad a gran escala, nunca se formaron estructuras magnéticas organizadas. En cambio, el sistema era caótico y caótico.
“Así que esa es realmente la clave: tener un gradiente de velocidad constante y a gran escala”, enfatiza.
Resolviendo el problema del campo magnético persistente
Los científicos han estudiado las dinamos magnéticas, los mecanismos que crean campos magnéticos, durante casi 70 años. Sin embargo, la mayoría de los modelos teóricos han tenido dificultades para reproducir las estructuras magnéticas grandes y ordenadas que los astrónomos realmente observan en el espacio.
Paul Terry, profesor de física en la UW-Madison y autor principal del estudio, añadió: “La generación de campos magnéticos mediante dinamos ha sido estudiada extensamente durante 70 años, con el resultado decepcionante de que los campos generados casi siempre terminan siendo pequeños y altamente caóticos, contrariamente a las observaciones. Este trabajo, por lo tanto, es un problema de larga data con problemas potenciales que resolver”.
Aunque la nueva teoría no puede probarse directamente en el entorno cósmico distante, experimentos de laboratorio anteriores parecen respaldar los hallazgos. En 2012, investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Wisconsin observaron un comportamiento del campo magnético que las teorías existentes no podían explicar. El nuevo modelo desarrollado por Tripathi y sus colegas se alinea más estrechamente con esos desconcertantes resultados experimentales.
Efectos de los agujeros negros, las estrellas de neutrones y el clima espacial
Los resultados podrían tener implicaciones importantes en toda la astrofísica.
“Este trabajo tiene el potencial de dilucidar la magnetodinámica relevante, por ejemplo, para las fusiones de estrellas de neutrones y la formación de agujeros negros, con aplicación directa a la astronomía multimensajero”, afirma Tripathi. “Esto podría ayudarnos a comprender mejor los campos magnéticos estelares y predecir las emisiones de gases del Sol hacia la Tierra”.
La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias (2409206) y el Departamento de Energía de EE. UU. (DE-SC0022257) a través de la Asociación DOE/NSF en Ciencia e Ingeniería Básica del Plasma. La supercomputadora Anvil de la Universidad Purdue se utilizó a través de la subvención TG-PHY130027 del programa Ecosistema de coordinación de infraestructura cibernética avanzada: servicios y soporte (ACCESS), financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (2138259, 2138286, 21238259, 21382363137 y 21383637). apoyado
