När vi tittar ut i rymden är alla astrofysiska objekt som vi ser inbäddade i magnetfält. Detta gäller inte bara i närheten av stjärnor och planeter, utan också i det djupa rymden mellan galaxer och galaktiska hopar. Dessa fält är svaga - vanligtvis mycket svagare än de för en kylskåpsmagnet - men de är dynamiskt betydelsefulla i den meningen att de har djupgående effekter på universums dynamik. Trots årtionden av intensivt intresse och forskning är ursprunget till dessa kosmiska magnetfält fortfarande ett av de djupaste mysterierna inom kosmologi.

I tidigare forskning har forskare kommit att förstå hur turbulens, den snurrande rörelse som är vanlig för vätskor av alla typer, kunde förstärka redan existerande magnetfält genom den så kallade dynamoprocessen. Men denna anmärkningsvärda upptäckt förde bara mysteriet ett steg djupare. Om en turbulent dynamo bara kunde förstärka ett befintligt fält, var kom då "frö"-magnetfältet ifrån från början?

Vi skulle inte ha ett fullständigt och självständigt svar på ursprunget till astrofysiska magnetfält förrän vi förstod hur fröfälten uppstod. Nytt arbete utfört av MIT-studenten Muni Zhou, hennes rådgivare Nuno Loureiro, professor i kärnvetenskap och teknik vid MIT, och kollegor vid Princeton University och University of Colorado i Boulder ger ett svar som visar de grundläggande processerna som genererar ett fält från ett helt omagnetiserat tillstånd till en punkt där den är tillräckligt stark för att dynamomekanismen ska ta över och förstärka fältet till de magnituder som vi observerar.

Magnetiska fält finns överallt

Naturligt förekommande magnetfält ses överallt i universum. De observerades först på jorden för tusentals år sedan, genom deras interaktion med magnetiserade mineraler som lodestone, och användes för navigering långt innan människor hade någon förståelse för deras natur eller ursprung. Magnetism på solen upptäcktes i början av 1900-talet genom dess effekter på det ljusspektrum som solen avgav. Sedan dess har kraftfullare teleskop som tittade djupt ut i rymden upptäckt att fälten var allestädes närvarande.

Och medan forskare länge hade lärt sig hur man tillverkar och använder permanentmagneter och elektromagneter, som hade alla möjliga praktiska tillämpningar, förblev det naturliga ursprunget för magnetiska fält i universum ett mysterium. Nyligen arbete har gett en del av svaret, men många aspekter av denna fråga är fortfarande under debatt.

Förstärkning av magnetfält – dynamoeffekten

Forskare började fundera över detta problem genom att överväga hur elektriska och magnetiska fält producerades i laboratoriet. När ledare, som koppartråd, rör sig i magnetiska fält, skapas elektriska fält. Dessa fält, eller spänningar, kan sedan driva elektriska strömmar. Det är så den el som vi använder varje dag produceras. Genom denna induktionsprocess omvandlar stora generatorer eller "dynamos" mekanisk energi till den elektromagnetiska energin som driver våra hem och kontor. En nyckelfunktion hos dynamos är att de behöver magnetfält för att fungera.

Men ute i universum finns det inga uppenbara trådar eller stora stålkonstruktioner, så hur uppstår fälten? Framsteg på detta problem började för ungefär ett sekel sedan när forskare funderade över källan till jordens magnetfält. Då visade studier av utbredningen av seismiska vågor att mycket av jorden, under de kallare ytskikten av manteln, var flytande, och att det fanns en kärna bestående av smält nickel och järn. Forskare ansåg att den konvektiva rörelsen hos denna heta, elektriskt ledande vätska och jordens rotation kombinerades på något sätt för att generera jordens fält.

Så småningom dök det upp modeller som visade hur den konvektiva rörelsen kunde förstärka ett befintligt fält. Detta är ett exempel på "självorganisering" - en egenskap som ofta ses i komplexa dynamiska system - där storskaliga strukturer växer spontant från småskalig dynamik. Men precis som i ett kraftverk behövde man ett magnetfält för att skapa ett magnetfält.

En liknande process pågår över hela universum. Men i stjärnor och galaxer och i utrymmet mellan dem är den elektriskt ledande vätskan inte smält metall, utan plasma – ett tillstånd av materia som existerar vid extremt höga temperaturer där elektronerna slits bort från sina atomer. På jorden kan plasma ses i blixtar eller neonljus. I ett sådant medium kan dynamoeffekten förstärka ett befintligt magnetfält, förutsatt att det startar på någon minimal nivå.

Gör de första magnetfälten

Var kommer detta fröfält ifrån? Det är där Zhou och hennes kollegors senaste arbete publicerades den 5 maj i PNAS , kommer in. Zhou utvecklade den bakomliggande teorin och utförde numeriska simuleringar på kraftfulla superdatorer som visar hur fröfältet kan produceras och vilka grundläggande processer som är igång. En viktig aspekt av plasmat som finns mellan stjärnor och galaxer är att det är utomordentligt diffust - vanligtvis ungefär en partikel per kubikmeter. Det är en helt annan situation än stjärnornas inre, där partikeltätheten är cirka 30 storleksordningar högre. De låga tätheterna gör att partiklarna i kosmologiska plasma aldrig kolliderar, vilket har viktiga effekter på deras beteende som måste ingå i modellen som dessa forskare höll på att utveckla.

Beräkningar utförda av MIT-forskarna följde dynamiken i dessa plasma, som utvecklades från välordnade vågor men blev turbulenta när amplituden växte och interaktionerna blev starkt olinjära. Genom att inkludera detaljerade effekter av plasmadynamiken i små skalor på makroskopiska astrofysiska processer, visade de att de första magnetfälten spontant kan produceras genom generiska storskaliga rörelser så enkla som klippta flöden. Precis som de jordiska exemplen omvandlades mekanisk energi till magnetisk energi.

En viktig utdata från deras beräkning var amplituden av det förväntade spontant genererade magnetfältet. Vad detta visade var att fältamplituden kunde stiga från noll till en nivå där plasman "magnetiseras" – det vill säga där plasmadynamiken påverkas starkt av närvaron av fältet. Vid det här laget kan den traditionella dynamomekanismen ta över och höja fälten till de nivåer som observeras. Sålunda representerar deras arbete en självständig modell för generering av magnetiska fält i kosmologisk skala.

Professor Ellen Zweibel vid University of Wisconsin i Madison noterar att "trots decennier av anmärkningsvärda framsteg inom kosmologi, är ursprunget till magnetfält i universum fortfarande okänt. Det är underbart att se toppmodern plasmafysikteori och numerisk simulering ägnas åt detta grundläggande problem."

Zhou och medarbetare kommer att fortsätta att förfina sin modell och studera handoff från genereringen av fröfältet till dynamos amplifieringsfas. En viktig del av deras framtida forskning kommer att vara att avgöra om processen kan fungera på en tidsskala som överensstämmer med astronomiska observationer. För att citera forskarna, "Detta arbete ger det första steget i byggandet av ett nytt paradigm för att förstå magnetogenes i universum." + Utforska vidare

Omedelbar omsättning av magnetism genom gyrorörelse av relativistiska elektroner

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.