Как быстро галактика может сформировать упорядоченные магнитные поля, охватывающие тысячи световых лет? Существующие теории говорят о нескольких миллиардах лет, но наблюдения за галактиками в нашей Вселенной указывают на более короткие временные промежутки. В новом исследовании ученые предлагают объяснение, которое разрешает это противоречие.
Ограничение теории динамо
Практически вся видимая материя в нашей Вселенной находится в виде плазмы, которую могут перемешивать силы, связанные с гравитацией, градиентами температуры и вращением. Если это приводит к турбулентному потоку, теория динамически предполагает, что существующие магнитные поля в плазме усиливаются. Теория динамо является нашей основой для понимания происхождения космических магнитных полей.
Паллави, доцент Международного центра теоретических наук (ICTS) и автор исследования, утверждает, что теория динамо имеет свои ограничения. В частности, она испытывает трудности с объяснением наблюдений молодых галактик с мощными магнитными полями на тысячах световых лет.
Как коллапсирующие облака усиливают динамо
Новое исследование изучает, как динамо может функционировать по-другому при формировании галактик. Оно рассматривает ионизированное газовое облако, коллапсирующее под действием гравитации — стадию, во время которой формируются галактики. «Когда галактика формируется, сама гравитация может перемешивать плазму, что может усиливать магнитные поля», — говорит Иршад, аспирант ICTS и ведущий автор статьи.
С помощью аналитических расчетов команда смогла показать, что перемешивание плазмы, происходящее во время коллапса, может ускорять формирование магнитных полей. В результате наблюдаемые магнитные поля могли устанавливаться значительно быстрее, чем считалось ранее.
Причина этого, по их словам, заключается в изменении турбулентного потока плазмы во время коллапса. Одной из характеристик турбулентных потоков являются завихрения, подобные тем, которые мы видим в ручьях. Скорость роста магнитного поля зависит от «частоты вращения» этих завихрений.
Команда обнаружила, что эта частота вращения увеличивается по мере коллапса облака, что приводит к ускоренному «сверхэкспоненциальному» росту магнитных полей, объясняя, как магнитные поля могли формироваться быстрее в молодых галактиках. С помощью численного анализа команда также показала, что поле, образующееся таким образом, сильнее, чем ожидалось по стандартной теории динамо.
Математические структуры для объяснения коллапса
В своем исследовании команда применяет математическую конструкцию, которую в космологии используют для учета расширения Вселенной. «Фактически эти координаты сводят уравнения для коллапсирующей галактики к виду, характерному для статической системы, что значительно упрощает расчеты, — говорит Иршад. — Это хорошо работает для равномерного сферического коллапса, однако для описания более реалистичных случаев подход нужно будет расширить».
Паллави говорит, что в этом «нулевом вопросе порядка, который вы поднимаете о временных границах», тоже ещё многое предстоит узнать. Например, были попытки создать компьютерные модели формирования структуры во Вселенной. Это исследование может предсказать, как быстро во Вселенной формируются магнитные поля, что позволяет ученым тестировать и совершенствовать свои модели.
Хотя магнитные силы обычно играют гораздо меньшую роль, чем гравитация, в формировании космических структур, новое исследование показывает, что мощные упорядоченные магнитные поля могли возникнуть раньше и влиять на эволюцию Вселенной дольше, чем считалось ранее.
По материалам phys.org
