Astrophysicists explore our galaxy's magnetic turbulence in unprecedented detail using a new co

今天发表在《自然·天文学》杂志上的一项新研究描述了该模型，它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。它直接挑战了我们对磁化湍流在天体物理环境中如何运作的理解。

该论文的第一作者James Beattie是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，他希望该模型能为星际介质（ISM）、整个银河系的磁性以及恒星形成和宇宙射线传播等天体物理现象提供新的见解。

他说：“这是我们第一次能够在这种精度下以及在这些不同的尺度上研究这些现象。”

该论文的合著者包括来自普林斯顿大学、澳大利亚国立大学、澳大利亚研究理事会全天域天体物理卓越中心、海德堡大学、哈佛-史密松天体物理中心、哈佛大学以及巴伐利亚科学与人文学院的研究人员。

“湍流仍然是经典力学中最大的未解难题之一，”同时在普林斯顿大学兼任职务的Beattie说。“尽管湍流无处不在：从我们咖啡中旋转的牛奶，到海洋、太阳风、星际介质甚至星系间等离子体中的混沌流。

“天体物理环境中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数量远远少于地球上的超高真空实验，但它们的运动足以产生磁场，这类似于我们星球熔融核心的运动产生地球磁场的方式。

虽然银河系的磁场比冰箱磁贴弱数百万倍，但它仍然是塑造宇宙的力量之一。

Beattie模型的最大版本是一个每维10,000个单元的立方体，它提供了比以往模型更精细的细节。除了高分辨率，该模型还具有可扩展性：在最大尺度下，可以模拟边长约30光年的空间区域；在最小尺度下，可以缩小约5000倍。

在最大尺度下，该模型可以增进我们对银河系整体磁场的理解。缩小尺度后，它将帮助天文学家更好地理解更“紧凑”的物理过程，例如从太阳向外流动并极大影响地球的太阳风。

由于其更高的分辨率，该模型还有潜力更深入地理解恒星形成。Beattie说：“我们知道磁压通过向外抵抗引力来阻止恒星形成，因为引力试图使恒星形成的星云坍缩。现在我们可以在这些尺度上详细量化磁化湍流的预期效应。”

除了更高的分辨率和可扩展性，该模型还通过模拟星际介质（ISM）密度的动态变化——从极其稀薄的近真空状态到恒星形成星云中发现的高密度状态——取得了重大进展。

Beattie说：“我们的模型真正出色捕捉到的是星际介质密度的极端变化，这是之前模型没有考虑到的。”

在他开发下一代模型（其特点之一是更高的分辨率）的同时，Beattie也正在利用日地系统的观测数据对他的模拟进行验证。

Beattie说：“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——效果非常好。这非常令人兴奋，因为它意味着我们可以通过模拟了解空间天气。空间天气非常重要，因为它涉及轰击卫星和太空中人类的带电粒子，并会产生其他地面效应。”

据Beattie称，新模型问世之际，天体物理湍流研究正日益受到关注，对星际介质的观测也日益增多。随着平方公里阵列射电望远镜（SKA）等新仪器的启用——它们能够极其详细地测量整个星系湍流磁场的涨落——像他这样用于解释磁湍流的精确理论框架将变得更加关键。

吸引Beattie从事这项研究的原因之一是其优雅的一致性——从星系际等离子体到一杯咖啡中的旋涡。

“我喜欢研究湍流，因为它具有普适性，”Beattie说。“无论你观察的是星系之间、星系内部、太阳系内部、一杯咖啡中，还是梵高的《星夜》画作，它看起来都是一样的。

“它在所有这些不同层面上显现的样子蕴含着某种非常浪漫的特质，我认为这非常令人兴奋。”