Bagaimana alam semesta mendapatkan medan magnetnya » MIT Physics

Dengan mempelajari dinamika turbulensi plasma, para peneliti MIT membantu memecahkan salah satu misteri asal usul medan magnet kosmologis.

Saat kita melihat ke luar angkasa, semua objek astrofisika yang kita lihat tertanam dalam medan magnet. Hal ini berlaku tidak hanya di sekitar bintang dan planet, tetapi juga di ruang angkasa yang dalam antara galaksi dan gugus galaksi. Medan-medan ini lemah — biasanya jauh lebih lemah daripada magnet kulkas — tetapi secara dinamis signifikan dalam arti bahwa mereka memiliki efek mendalam pada dinamika alam semesta. Terlepas dari minat dan penelitian yang intens selama beberapa dekade, asal usul medan magnet kosmik ini tetap menjadi salah satu misteri paling mendalam dalam kosmologi.

Dalam penelitian sebelumnya, para ilmuwan memahami bagaimana turbulensi, gerakan berputar yang umum untuk semua jenis cairan, dapat memperkuat medan magnet yang sudah ada sebelumnya melalui apa yang disebut proses dinamo. Tapi penemuan luar biasa ini hanya mendorong misteri satu langkah lebih dalam. Jika dinamo yang bergolak hanya dapat memperkuat medan yang ada, dari mana asal medan magnet “benih” tersebut?

Kami tidak akan memiliki jawaban yang lengkap dan konsisten tentang asal usul medan magnet astrofisika sampai kami memahami bagaimana ladang benih muncul. Pekerjaan baru yang dilakukan oleh mahasiswa pascasarjana MIT Muni Zhou, penasihatnya Nuno Loureiro, seorang profesor ilmu dan teknik nuklir di MIT, dan rekan-rekannya di Universitas Princeton dan Universitas Colorado di Boulder memberikan jawaban yang menunjukkan proses dasar yang menghasilkan medan dari keadaan yang sama sekali tidak termagnetisasi ke titik di mana cukup kuat bagi mekanisme dinamo untuk mengambil alih dan memperkuat medan hingga besaran yang kita amati.

Medan magnet ada di mana-mana

Medan magnet yang terjadi secara alami terlihat di mana-mana di alam semesta. Mereka pertama kali diamati di Bumi ribuan tahun yang lalu, melalui interaksi mereka dengan mineral magnet seperti batu magnet, dan digunakan untuk navigasi jauh sebelum orang memiliki pemahaman tentang sifat atau asal mereka. Magnetisme pada matahari ditemukan pada awal abad ke-20 melalui pengaruhnya terhadap spektrum cahaya yang dipancarkan matahari. Sejak itu, teleskop yang lebih kuat yang melihat jauh ke luar angkasa menemukan bahwa bidang itu ada di mana-mana.

BACA JUGA :  bagaimana tim forensik akan menyelidiki bukti kekejaman di Bucha – Arahan Geografi

Dan sementara para ilmuwan telah lama belajar bagaimana membuat dan menggunakan magnet permanen dan elektromagnet, yang memiliki segala macam aplikasi praktis, asal-usul alami medan magnet di alam semesta tetap menjadi misteri. Pekerjaan baru-baru ini telah memberikan sebagian dari jawabannya, tetapi banyak aspek dari pertanyaan ini masih dalam perdebatan.

Memperkuat medan magnet — efek dinamo

Para ilmuwan mulai memikirkan masalah ini dengan mempertimbangkan cara medan listrik dan magnet dihasilkan di laboratorium. Ketika konduktor, seperti kawat tembaga, bergerak dalam medan magnet, medan listrik tercipta. Medan ini, atau tegangan, kemudian dapat menggerakkan arus listrik. Ini adalah bagaimana listrik yang kita gunakan setiap hari dihasilkan. Melalui proses induksi ini, generator besar atau “dinamo” mengubah energi mekanik menjadi energi elektromagnetik yang menggerakkan rumah dan kantor kita. Fitur utama dinamo adalah bahwa mereka membutuhkan medan magnet untuk bekerja.

Tapi di alam semesta, tidak ada kabel yang jelas atau struktur baja besar, jadi bagaimana medan muncul? Kemajuan dalam masalah ini dimulai sekitar satu abad yang lalu ketika para ilmuwan merenungkan sumber medan magnet bumi. Pada saat itu, studi tentang perambatan gelombang seismik menunjukkan bahwa sebagian besar Bumi, di bawah lapisan permukaan yang lebih dingin dari mantel, adalah cair, dan ada inti yang terdiri dari nikel dan besi cair. Para peneliti berteori bahwa gerakan konvektif dari cairan konduktif listrik yang panas ini dan rotasi Bumi digabungkan dalam beberapa cara untuk menghasilkan medan Bumi.

Akhirnya, muncul model yang menunjukkan bagaimana gerakan konvektif dapat memperkuat medan yang ada. Ini adalah contoh “pengorganisasian mandiri” — fitur yang sering terlihat dalam sistem dinamis yang kompleks — di mana struktur skala besar tumbuh secara spontan dari dinamika skala kecil. Tapi seperti di pembangkit listrik, Anda membutuhkan medan magnet untuk membuat medan magnet.

BACA JUGA :  Rantai Alasan vs. Rantai Jempol

Proses serupa sedang bekerja di seluruh alam semesta. Namun, di bintang dan galaksi dan di ruang di antara mereka, cairan penghantar listrik bukanlah logam cair, tetapi plasma — keadaan materi yang ada pada suhu yang sangat tinggi di mana elektron terlepas dari atomnya. Di Bumi, plasma dapat dilihat di kilat atau lampu neon. Dalam media seperti itu, efek dinamo dapat memperkuat medan magnet yang ada, asalkan dimulai pada tingkat minimal.

Membuat medan magnet pertama

Dari mana ladang benih ini berasal? Di situlah karya terbaru Zhou dan rekan-rekannya, diterbitkan 5 Mei di PNAS, masuk. Zhou mengembangkan teori yang mendasarinya dan melakukan simulasi numerik pada superkomputer kuat yang menunjukkan bagaimana ladang benih dapat diproduksi dan proses fundamental apa yang sedang bekerja. Aspek penting dari plasma yang ada di antara bintang dan galaksi adalah bahwa ia sangat menyebar — biasanya sekitar satu partikel per meter kubik. Itu adalah situasi yang sangat berbeda dari interior bintang, di mana kerapatan partikel sekitar 30 kali lipat lebih tinggi. Kepadatan rendah berarti bahwa partikel dalam plasma kosmologis tidak pernah bertabrakan, yang memiliki efek penting pada perilaku mereka yang harus dimasukkan dalam model yang dikembangkan para peneliti ini.

Perhitungan yang dilakukan oleh para peneliti MIT mengikuti dinamika dalam plasma ini, yang berkembang dari gelombang yang tertata dengan baik tetapi menjadi turbulen ketika amplitudo tumbuh dan interaksi menjadi sangat nonlinier. Dengan memasukkan efek rinci dari dinamika plasma pada skala kecil pada proses astrofisika makroskopik, mereka menunjukkan bahwa medan magnet pertama dapat dihasilkan secara spontan melalui gerakan skala besar generik yang sederhana seperti aliran geser. Sama seperti contoh terestrial, energi mekanik diubah menjadi energi magnet.

BACA JUGA :  Fisika kesehatan usus dan otak » Fisika MIT

Output penting dari perhitungan mereka adalah amplitudo medan magnet yang dihasilkan secara spontan yang diharapkan. Hal ini menunjukkan bahwa amplitudo medan dapat meningkat dari nol ke tingkat di mana plasma “termagnetisasi” — yaitu, di mana dinamika plasma sangat dipengaruhi oleh keberadaan medan. Pada titik ini, mekanisme dinamo tradisional dapat mengambil alih dan menaikkan medan ke tingkat yang diamati. Dengan demikian, karya mereka mewakili model yang konsisten untuk pembangkitan medan magnet pada skala kosmologis.

Profesor Ellen Zweibel dari University of Wisconsin di Madison mencatat bahwa “walaupun puluhan tahun kemajuan luar biasa dalam kosmologi, asal usul medan magnet di alam semesta tetap tidak diketahui. Sungguh luar biasa melihat teori fisika plasma mutakhir dan simulasi numerik diterapkan pada masalah mendasar ini.”

Zhou dan rekan kerja akan terus menyempurnakan model mereka dan mempelajari peralihan dari generasi ladang benih ke fase amplifikasi dinamo. Bagian penting dari penelitian masa depan mereka adalah untuk menentukan apakah proses tersebut dapat bekerja pada skala waktu yang konsisten dengan pengamatan astronomi. Mengutip para peneliti, “Karya ini memberikan langkah pertama dalam membangun paradigma baru untuk memahami magnetogenesis di alam semesta.”

Pekerjaan ini didanai oleh National Science Foundation CAREER Award dan Future Investigators of NASA Earth and Space Science Technology (FINESST) grant.

Leave a Reply

Your email address will not be published.