Международная команда учёных представила результаты моделирования турбулентности в межзвёздной среде (МЗС). Исследование раскрыло влияние магнитных полей на перераспределение энергии в космической плазме, используя рекордное разрешение в 10,0803 ячеек — трёхмерную сетку, разделяющую моделируемое пространство на 1,025 трлн элементов. Это в 10 раз превышает детализацию предыдущих моделей, позволяя впервые отследить взаимодействие процессов на разных масштабах — от галактических облаков до микроскопических возмущений.

Ключевым открытием стало обнаружение двух независимых каскадов кинетической энергии. В слабо намагниченных, сверхзвуковых зонах энергия распределяется с индексом n ≈ 2, где доминируют нелокальные взаимодействия. В сильно намагниченных, дозвуковых областях спектр меняется до n ≈ 3/2 из-за локальных процессов и выравнивания векторов скорости и магнитного поля. «Это словно разделить океан на течения и вихри — каждый режим подчиняется своим законам», — пояснил ведущий автор Джеймс Битти.

Двумерный срез крупнейшей в мире симуляции сверхзвуковой магнитогидродинамической турбулентности. Красные зоны: Фрактальные токовые слои с высокой плотностью тока. Жёлтые области: уплотнения вещества, связанные с токовыми слоями. Белые линии: магнитные поля, скрученные в плотных регионах. Источник: James R. Beattie, Christoph Federrath, Ralf S. Klessen, Salvatore Cielo & Amitava Bhattacharjee

Неожиданным результатом оказался спектр магнитной энергии (n ≈ 9/5) в намагниченных зонах, не соответствующий ни одной теории. «Отклонение указывает на пробелы в наших знаниях о фундаментальной физике плазмы», — отметил соавтор Амитава Бхаттачарджи. Для расчётов потребовались мощности суперкомпьютеров, эквивалентные времени работы ноутбука, запущенного 5 000 лет назад — в эпоху строительства первых мегалитов. Такие ресурсы позволили смоделировать мелкомасштабное динамо — механизм генерации магнитных полей в турбулентной среде, который ранее не удавалось полноценно интегрировать в модели МЗС.

Практическая значимость работы связана с прогнозированием космической погоды. Данные помогут предсказывать всплески солнечного ветра, опасные для спутников и астронавтов. «Спектральные индексы из симуляций станут ориентиром для радиотелескопов нового поколения, таких как Square Kilometre Array», — добавил Бхаттачарджи. Эти инструменты, вводящиеся в строй к 2030 году, проверят, поддерживается ли турбулентность во Млечном Пути внутренними движениями плазмы.

Исследователи открыли доступ к исходным данным на GitHub, включая спектры энергии и структурные функции, что ускорит независимую проверку результатов. Работа также проливает свет на звездообразование: турбулентность влияет на фрагментацию газовых облаков, определяя, где и как рождаются светила. Дальнейшие исследования позволят уточнить модели эволюции галактик и разработать методы защиты космической инфраструктуры.

Подробнее на iXBT