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

今日发表在《自然·天文学》（Nature Astronomy）上的新研究描述了该模型，它是迄今为止最强大的模型，需要借助德国莱布尼茨超级计算中心（Leibniz Supercomputing Centre）的SuperMUC-NG超级计算机的计算能力。它直接挑战了我们对于磁化湍流如何在天体物理环境中运作的理解。

该论文的第一作者、加拿大多伦多大学理论天体物理研究所（CITA）的博士后研究员詹姆斯·贝蒂（James Beattie）希望该模型能提供对星际介质（ISM）、银河系整体磁性以及恒星形成和宇宙射线传播等天体物理现象的新见解。

“这是我们首次能够在如此高的精度上、在这些不同的尺度上研究这些现象，”他表示。

该论文的合作者来自普林斯顿大学、澳大利亚国立大学、澳大利亚研究理事会全天体物理学卓越中心（ARC Center of Excellence in All Sky Astrophysics）、海德堡大学、哈佛-史密松天体物理中心（Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian）、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中最大的未解难题之一，”同样在普林斯顿大学任职的贝蒂说道，“尽管湍流无处不在：从搅拌咖啡中的牛奶到海洋、太阳风、星际介质中的无序流动，甚至星系间的等离子体也是如此。”

“天体物理环境中的关键区别在于存在磁场，它从根本上改变了湍流的性质。”

尽管星际空间中的粒子远比地球上的超高真空实验中的粒子少得多，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几百万倍，但它仍然是塑造宇宙的力量之一。

贝蒂模型的最大版本是一个每维10,000个单位的立方体，它提供了比以往模型更精细的细节。除了高分辨率之外，该模型还具有可扩展性：其最大尺度可模拟约30光年见方的空间体积；最小尺度可缩小约5000倍。

在最大尺度上，该模型可以增进我们对银河系整体磁场的理解。当缩小尺度时，它将帮助天文学家更好地理解更“致密”的过程，例如从太阳向外喷发并极大影响地球的太阳风。

由于其更高的分辨率，该模型还有望提供对恒星形成的更深入理解。“我们知道磁压力通过向外抵抗引力来阻碍恒星形成，因为引力试图使恒星形成星云坍缩，”贝蒂说，“现在我们可以详细量化在此类尺度上对磁化湍流的预期。”

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更高密度——标志着一次重大进步。

“我们的模拟真正出色捕捉到的是，”贝蒂说，“星际介质密度的极端变化，这是先前模型未曾考虑的因素。”

在开发下一代模型（其中包括更高分辨率等特性）的同时，贝蒂也在利用对日地系统的观测数据来测试他的模拟。

“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——结果看起来非常好，”贝蒂说。“这非常令人兴奋，因为它意味着我们可以通过模拟来研究空间天气。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，并产生其他地球效应。”

据贝蒂称，新模型的问世正值天体物理湍流研究日益受到关注以及星际介质观测蓬勃发展的时期。随着诸如平方公里阵列（SKA）等新设备的启用——它们将能详细测量整个星系湍流磁场的波动——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。

吸引贝蒂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。

“我喜欢研究湍流是因为它的普适性，”贝蒂说。“无论你观察星系之间、星系内部、太阳系内部的等离子体，还是一杯咖啡中或梵高《星夜》（The Starry Night）中的湍流，它看起来都一样。”

“它在所有这些不同层级上的显现蕴含着某种非常浪漫的特质，我认为这非常令人兴奋。”