«Магнитные поля повсеместно распространены во Вселенной, — сказал Дон Лэмб, заслуженный профессор астрономии Роберта А. Милликена. Астрофизика в Чикагском университете. «Мы почти уверены, что поля не существовали вначале, во время Большого взрыва. Возникает фундаментальный вопрос: как возникли магнитные поля?»Ответить на этот вопрос, имеющий фундаментальное значение для понимания Вселенной, помогли миллионы часов суперкомпьютерного моделирования в Аргоннской национальной лаборатории.
Лэмб и его сотрудники, возглавляемые учеными из Оксфордского университета, сообщают о своих выводах в статье, опубликованной в номере журнала Nature Physics от 1 июня.В документе описываются эксперименты на лазерной установке Vulcan в лаборатории Резерфорда Эпплтона в Соединенном Королевстве, которые воссоздают сверхновую (взрывающуюся звезду) с лучами, в 60 000 миллиардов раз более мощными, чем лазерная указка. Исследование было вдохновлено обнаружением магнитных полей в остатке сверхновой Кассиопеи А, которые примерно в 100 раз сильнее, чем в соседнем межзвездном пространстве.Физика в нескольких масштабах«Может показаться удивительным, что настольный лабораторный эксперимент, который помещается в средней комнате, можно использовать для изучения астрофизических объектов, размер которых составляет световые годы», — сказал Джанлука Грегори, профессор физики в Оксфорде. «На самом деле законы физики везде одинаковы, и физические процессы можно масштабировать от одного к другому так же, как волны в ведре сравнимы с волнами в океане.
Таким образом, наши эксперименты могут дополнять наблюдения таких событий. как сверхновая Кассиопея А ".Сделать это стало возможным благодаря чрезвычайно тесному сотрудничеству между командой Лэмба из Flash Center for Computational Science Калифорнийского университета в Чикаго и группой экспериментаторов Грегори.
«Из-за сложности того, что здесь происходит, моделирование было абсолютно жизненно важным для того, чтобы точно вывести, что происходит, и, следовательно, подтвердить, что эти механизмы происходят и что они ведут себя так, как предсказывает теория», — сказала Йена Майнеке, аспирантка в физика в Оксфорде и ведущий автор статьи в Nature Physics.Магнитные поля варьируются от квадриллионных долей гаусса в космических пустотах Вселенной до нескольких микрогаусс в галактиках и скоплениях галактик (обычные магниты на холодильник имеют магнитное поле примерно 50 гаусс). Звезды, подобные солнцу, измеряют тысячи гауссов. Нейтронные звезды, которые представляют собой чрезвычайно компактные сгоревшие ядра мертвых звезд, демонстрируют самые большие магнитные поля из всех, превышающие квадриллионы гауссов.
В 2012 году команда Грегори успешно создала небольшие магнитные поля, названные «семенными полями», в лаборатории с помощью часто вызываемого эффекта, называемого аккумуляторным механизмом Бирмана. Но как могли семенные поля вырасти до гигантских размеров в межзвездном пространстве? Основываясь на своих более ранних открытиях, Грегори и его сотрудники в 11 учреждениях по всему миру продемонстрировали усиление магнитных полей за счет турбулентности.В своем эксперименте ученые сфокусировали лазерные лучи на небольшой углеродный стержень, находящийся в камере, заполненной газом с низкой плотностью.
Лазеры, генерирующие температуру в несколько миллионов градусов, заставили стержень взорваться, создав взрыв, который расширился по газу.«Эксперимент продемонстрировал, что по мере того, как волна взрыва проходит через решетку, она становится неравномерной и турбулентной, как и изображения с Кассиопеи», — сказал Грегори.Экспериментальные переменные«Экспериментаторы знали все физические переменные в данной точке.
Они точно знали температуру, плотность и скорости», — сказал исследователь из Калифорнийского университета в Чикаго Петрос Цеферакос, соавтор исследования. Цеферакос и его коллеги включили эти данные в свои модели FLASH.«Это позволяет нам сравнивать код с чем-то, что мы видим», — сказал Цеферакос. Такой сравнительный анализ, называемый проверкой, показывает, что моделирование может воспроизводить экспериментальные данные.
На моделирование потребовалось 20 миллионов часов обработки на суперкомпьютерах Mira и Intrepid в Аргонне. Mira, которая может выполнять 10 квадриллионов вычислений в секунду, в 20 раз быстрее Intrepid.Имея под рукой валидацию, все члены коллаборации могли неоднократно возвращаться к моделированию, чтобы получить ответы на новые вопросы, касающиеся физики, которую они видели. «Мы могли бы смотреть на скорость, а не на плотность магнитного поля, или мы могли бы смотреть на давление», — сказал Лэмб. «Эта симуляция — кладезь информации о том, что на самом деле происходит. Это действительно важно для правильного понимания того, что на самом деле происходит».
Моделирование магнитного поля стало возможным благодаря добавлению возможностей к FLASH Code в последние годы, финансируемых Управлением передового моделирования и вычислений Национального агентства ядерной безопасности Министерства энергетики США. Первоначально разработанный для компьютерного моделирования взрывающихся звезд, FLASH Code теперь поддерживает моделирование физики с высокой плотностью энергии, чтобы лучше понять свойства материи при высоких плотностях и температурах.
Финансирование: Министерство энергетики США через программу инновационных и новых вычислений, влияющих на теорию и эксперимент (INCITE).