Новая модель Млечного Пути раскрывает неожиданные тайны межзвёздного пространства - New-Science.ru
15 мая 2025, 00:00
Новая инновационная компьютерная модель, описывающая пространство заряженных частиц и газа между звездами, раскрывает магнитную турбулентность галактики Млечный Путь, бросая вызов современному пониманию астрофизической турбулентности.
Известная как межзвездная среда, эта космическая среда, заполняющая пространство между планетами в Млечном Пути, никогда не была описана так подробно. Для работы над беспрецедентной моделью команде исследователей понадобился сверхмощный суперкомпьютер SuperMUC-NG, расположенный в Суперкомпьютерном центре Лейбница в Германии.
Что заполняет пустоту
Даже эксперименты в сверхвысоком вакууме на Земле содержат гораздо больше частиц, чем океан межзвездного пространства. Однако даже эти немногочисленные космические частицы способны создать магнитное поле, подобное земному ядру. При малом количестве частиц, создающих поле, его сила в миллионы раз меньше, чем у магнитов для холодильника, но все же достаточна, чтобы воздействовать на окружающую вселенную, создавая турбулентность для объектов, пролетающих через космос. Поведение этой турбулентности было нерешенной проблемой для современной физики.
"
Впервые мы можем изучать эти явления с такой точностью и в таких разных масштабах", — говорит ведущий автор работы Джеймс Битти.
"
Турбулентность остается одной из самых больших нерешенных проблем в классической механике", — добавил Битти. "
И это несмотря на то, что турбулентность встречается повсеместно: от завихрений молока в нашем кофе до хаотических потоков в океанах, солнечном ветре, межзвездной среде и даже плазме между галактиками".
Новая модель Млечного Пути
Модель была настолько тяжелой в вычислениях, что для ее работы требовалась мощность, равная 140 000 компьютеров, работающих одновременно.
"
Чтобы осознать масштаб этих вычислений: если бы мы запустили их на одном ноутбуке в эпоху, когда люди только начали приручать животных, расчеты завершились бы только сейчас", — говорит Битти. "
К счастью, используя потрясающие ресурсы Суперкомпьютерного центра Лейбница, мы можем распределить рабочую нагрузку между тысячами компьютеров, чтобы ускорить вычисления".
Модель очень хорошо масштабируется: от куба с 10 000 единиц в измерении, представляющего 30 световых лет в сторону, до версии, уменьшенной в 5000 раз. Самый крупный масштаб позволяет понять магнитные поля всего Млечного Пути, а более мелкий обеспечивает детализацию, необходимую исследователям для изучения того, как солнечные ветры влияют на Землю.
Откровения модели Млечного Пути
В новой модели магнитные поля влияют на энергию, проходящую через межзвездную массу, превосходя мелкомасштабные движения и усиливая волны Альфвена, тип волнообразных возмущений. Эти выводы противоречат десятилетиям астрофизической теории, потенциально меняя понимание турбулентности, переноса высокоэнергетических частиц и звездообразования.
"
Мы стали на шаг ближе к раскрытию истинной природы астрофизической и космической турбулентности — от хаотической плазмы вблизи Земли до огромных движений в нашей Галактике и за ее пределами", — говорит Битти, "
Мы мечтаем обнаружить универсальные черты турбулентности во всей Вселенной, и мы продолжим расширять границы нового поколения симуляторов, чтобы проверить эту идею".
Что ученые надеются узнать
С помощью своей новой модели исследователи надеются пролить свет на многие космические вопросы, такие как магнетизм Млечного Пути, звездообразование, распространение космических лучей и межзвездная масса.
"
Мы знаем, что магнитное давление противодействует звездообразованию, оказывая внешнее давление против гравитации, которая пытается сжать звездообразующую туманность", — объясняет Битти. "
Теперь мы можем детально оценить, чего можно ожидать от магнитной турбулентности в таких масштабах".
Одним из самых значительных достижений команды является способность модели представлять изменения плотности межзвездной массы, которая может сильно варьироваться и достигать пика в звездообразующих туманностях. Крайне важно, что более динамичное понимание межзвездной массы окажет огромную пользу будущей космической навигации, поскольку экипажи будут стремиться к Марсу и дальше.
"
Исследование имеет значение для прогнозирования и мониторинга космической погоды, чтобы лучше понять плазменную среду вокруг спутников и будущих космических миссий, а также для ускорения высокоэнергетических частиц, которые повреждают все вокруг и могут представлять опасность для людей в космосе", — сказал соавтор работы Амитава Бхаттачарджи.
"
Многие из этих фундаментальных вопросов, связанных с турбулентностью плазмы, являются объектами миссий, которые сейчас запускает NASA, и имеют значение для понимания происхождения космических магнитных полей. Подобные моделирования позволят нам понять, как интерпретировать спутниковые и наземные измерения", — добавил Бхаттачарджи.
Цикл исследований продолжается
Однако команда Бити еще не закончила работу. Они продолжают расширять модель до еще более высокого разрешения, проверяя свои симуляции на реальных данных.
"
Мы уже начали проверять, насколько модель соответствует существующим данным о солнечном ветре и Земле, и они выглядят очень хорошо", — говорит Битти. "
Это очень интересно, потому что это означает, что мы можем узнать о космической погоде с помощью нашего моделирования. Космическая погода очень важна, потому что мы говорим о заряженных частицах, которые бомбардируют спутники и людей в космосе и оказывают другие земные эффекты".
К счастью, новые наблюдательные платформы предоставляют множество данных для проверки модели и новые детали, которые требуют расширенных рамок для интерпретации. Одним из ярких примеров является Square Kilometre Array в Южной Африке, которая может точно измерить турбулентные магнитные поля галактики.
"
Есть что-то очень романтичное в том, как это проявляется на всех этих разных уровнях, и я думаю, что это очень захватывающе", — заключил Битти, говоря об универсальной применимости исследования турбулентности, проведенного командой.
Статья опубликована в журнале
Nature Astronomy.
Читайте все последние новости астрофизики на New-Science.ru