天体物理学家使用新的计算机模型以前所未有的细节探索银河系的磁湍流
天文学家开发了一种开创性的计算机模拟技术，以前所未有的细节探索星际介质 （ISM） 中的磁力和湍流——星际介质是位于银河系恒星之间的气体和带电粒子的浩瀚海洋。 在今天发表在《自然天文学》上的一项新研究中描述，该模型是迄今为止最强大的模型，需要德国莱布尼茨超级计算中心的 SuperMUC-NG 超级计算机的计算能力。 它直接挑战我们对磁化湍流在天体物理环境中如何运作的理解。 该论文的主要作者、多伦多大学加拿大理论天体物理研究所 （CITA） 的博士后研究员 James Beattie 希望该模型能够为 ISM、整个银河系的磁力以及恒星形成等天体物理现象提供新的见解。 宇宙射线的传播。 “这是我们第一次可以以这种精度水平和这些不同的尺度研究这些现象，“他说。 该论文是与普林斯顿大学的研究人员合著的; 澳大利亚国立大学; 澳大利亚研究委员会全天空天体物理学卓越中心; Universität Heidelberg; 哈佛和史密森尼天体物理中心; 哈佛大学; 以及巴伐利亚科学与人文学院 （Bavarian Academy of Sciences and Humanities）。 “湍流仍然是经典力学，“Beattie 说，她也是普林斯顿大学的联合任命者。 “尽管湍流无处不在：从我们咖啡中漩涡状的牛奶到海洋中的混沌流动、太阳风、星际介质，甚至星系之间的等离子体。 “天体物理环境的关键区别在于磁场的存在，它从根本上改变了湍流的性质。” 虽然星际空间中的粒子要少得多与地球上的超高真空实验相比，它们的运动足以产生磁场，这与我们星球熔融核心的运动产生地球磁场的方式没有什么不同。 虽然银河磁场比冰箱磁铁弱几百万倍，但它仍然是塑造宇宙的力量之一。 Beattie 模型的最大版本是每个维度 10,000 个单位的立方体，它提供的细节比以前的模型要多得多。 在除了高分辨率之外，该模型还具有可扩展性，可以模拟最大边长约 30 光年的空间体积; 在最小时，它可以缩小大约 5000 倍。 在最大的情况下，该模型可以提高我们对银河系整体磁场的理解。 按比例缩小后，它将帮助天文学家更好地了解更“紧凑”的过程，例如从太阳向外流动并极大地影响地球的太阳风。 因为凭借其更高的分辨率，该模型也有可能提供对恒星形成的更深入理解。 “我们知道，当磁压试图使形成恒星的星云坍缩时，磁压会逆重力向外推来对抗恒星的形成，”Beattie 说。 “现在我们可以详细量化这些尺度上的磁湍流的预期结果。” 除了更高的分辨率和可扩展性外，该模型还通过模拟动态变化取得了重大进步在 ISM 的密度中 -- 从极其脆弱的近真空到恒星形成星云中发现的更高密度。 “我们的仿真真正很好地捕捉到了 ISM 密度的极端变化，”Beattie 说，“这是以前的模型没有考虑到的。 在开发具有更高分辨率的下一代模型时，Beattie 还根据从太阳-地球系统的观测中收集的数据测试他的模拟。 “我们已经开始测试该模型是否与来自太阳风和地球的现有数据相匹配——它看起来非常好，”Beattie 说。 “这非常令人兴奋，因为这意味着我们可以通过模拟了解太空天气。 太空天气非常重要，因为我们谈论的是轰炸太空中的卫星和人类并产生其他地球影响的带电粒子。 据 Beattie 称，新模型是在人们对天体物理学湍流，以及对 ISM 的迅速观测。 随着平方公里阵列 （SKA） 等新仪器的上线，它能够非常详细地测量整个银河系中湍流磁场的波动，像他这样用于解释磁湍流的准确理论框架将变得更加重要。 吸引 Beattie 进行这项研究的原因之一是它优雅的一致性——从星际等离子体到漩涡一杯咖啡。 “我喜欢做湍流研究，因为它具有普遍性，”Beattie 说。 “无论你是在观察星系之间、星系内、太阳系内、喝杯咖啡还是在梵高的《星夜》中观察等离子体，它看起来都是一样的。 ：“它在所有这些不同层面上的表现都非常浪漫，我认为这非常令人兴奋。