اگر تاکنون شیر را در فنجانی قهوه ریخته و به چرخش آن نگاه کرده باشید، آشفتگی (توربولانس) را در عمل دیدهاید. این پدیده عامل بسیاری از رویدادهای طبیعی است؛ از تکانهای پروازهای هوایی گرفته تا جریانهای اقیانوسی. اکنون پژوهشگران موفق به توسعه روشی شدهاند که با دقتی بیسابقه، آشفتگی در محیط میانستارهای — یعنی ابرهای گاز و ذرات باردار میان ستارگان — و نحوه برهمکنش آن با میدانهای مغناطیسی را به تصویر میکشد.
این مدل در مقالهای که 23 اردیبهشت در ژورنال Nature Astronomy منتشر شد، توصیف شده است. جیمز بیتی، اخترفیزیکدان دانشگاه تورنتو و دانشگاه پرینستون و نویسنده اصلی این پژوهش، در بیانیهای گفت:
«این نخستین بار است که میتوانیم این پدیدهها را با چنین دقتی و در این مقیاسهای گوناگون مطالعه کنیم.»
چنین محاسبات پیچیدهای نیازمند توان پردازشی عظیمی است. برای توسعه این مدل، بیتی و همکارانش از ابررایانهی SuperMUC-NG در مرکز محاسبات پیشرفته لایبنیتس آلمان استفاده کردند. این مدل قابلیت مقیاسپذیری دارد و از مجموعهای از ماژولهای مجازی تشکیل شده که میتوان آنها را روی هم چید و مکعبی تا اندازه ۱۰ هزار واحد ساخت. در این ابعاد، مدل میتواند میدان مغناطیسی کهکشان ما را شبیهسازی کند. در مقیاس کوچکتر نیز، برای شبیهسازی فرآیندهای موضعیتر مانند باد خورشیدی — جریان ذرات بارداری که از خورشید ساطع میشوند — کاربرد دارد.
بیتی میگوید:
«این نخستین بار است که میتوانیم این پدیدهها را با چنین دقت و در این مقیاسهای گوناگون بررسی کنیم.»
ذرات باردار در محیط میانستارهای بسیار رقیقتر از هر خلأیی هستند که تاکنون در آزمایشگاههای زمین ایجاد شده است. با این حال، حرکت آنها برای تولید میدان مغناطیسی کافی است؛ میدانی که اگرچه میلیونها بار ضعیفتر از آهنربای یخچال است، اما در خلأ فضا نقشی کلیدی در شکلگیری کهکشانها و حتی تولد ستارگان ایفا میکند.
(اعتبار تصویر: ESA/Webb، ناسا و CSA، جی. لی و تیم PHANGS-JWST)
برخلاف شبیهسازیهای پیشین، مدل جدید این پویایی را در نظر گرفته و نشان میدهد که چگونه میدان مغناطیسی، یونهای میانستارهای را بر اساس بارشان از نواحی با چگالیهای متفاوت جابهجا کرده و به چرخش درمیآورد. این یافتهها میتواند به اخترفیزیکدانان در درک عمیقترِ چگونگی شکلگیری کهکشانهایی مانند راهشیری کمک کند.
بیتی و تیمش در آینده امیدوارند مدلهایی با وضوح بالاتر توسعه دهند و آنها را با دادههای واقعی — مانند اندازهگیریهای باد خورشیدی — مقایسه کنند. رصدخانههای بسیار حساس جدید، مانند پروژه مشترک استرالیا و آفریقای جنوبی به نام آرایه کیلومتر مربعی (Square Kilometre Array)، میتوانند به دقیقتر شدن این مدلها کمک کنند.
تصاویر حاصل از این مدلها نیز به همان اندازه خیرهکننده خواهند بود. بیتی میگوید:
«من عاشق پژوهش در مورد آشفتگی هستم. این پدیده از پلاسما میان کهکشانها گرفته تا درون خود کهکشانها، سامانه خورشیدی، فنجانی قهوه یا حتی نقاشی شب پرستاره ونگوگ، همگی ظاهر مشابهی دارند.»
پژوهشگران با بهرهگیری از توان پردازشی بالای ابررایانهها موفق به شبیهسازی دقیق پدیده آشفتگی در محیط میانستارهای و نحوه تعامل آن با میدانهای مغناطیسی شدهاند. این دستاورد برای نخستین بار امکان مشاهده و تحلیل این پدیدهها را با دقت و در مقیاسهایی فراهم میکند که پیشتر در دسترس نبود. اهمیت این مدل در آن است که میدانهای مغناطیسی، با وجود شدت بسیار پایین، نقش کلیدی در شکلدهی به ساختار کهکشانها و حتی تولد ستارگان دارند. همچنین این پژوهش نشان میدهد که پدیده آشفتگی در تمام مقیاسهای طبیعت، از پلاسماهای کیهانی گرفته تا یک فنجان قهوه، ویژگیهای مشترک بصری و دینامیکی دارد که نشان از یگانگی و زیبایی قوانین فیزیکی جهان دارد. از سوی دیگر، مدلسازی انجامشده با این ابررایانه نهتنها قابلیت مقیاسپذیری دارد، بلکه میتواند به درک بهتر فرایندهای موضعیتر مانند باد خورشیدی نیز کمک کند. در نهایت، با پیشرفت ابزارهای رصدی مانند آرایه کیلومتر مربعی، امکان مقایسه دقیق این شبیهسازیها با دادههای واقعی فراهم شده و میتوان انتظار داشت که درک بشر از ساختار کیهان در آینده نزدیک جهش قابل توجهی یابد.