天文学家开发了一种突破性的计算机模拟，以前所未有的细节探索星际介质（ISM）中的磁性和湍流——这个位于银河系星星之间的气体和带电粒子的大海。该模型是迄今为止最强大的，要求在德国莱布尼茨超级计算中心的SuperMUC-NG超级计算机上的计算能力。它直接挑战了我们对磁化湍流在天体物理环境中运作方式的理解。
今天在《自然天文学》上发表的一项新研究中描述了该模型，它是迄今为止最强大的，要求在德国莱布尼茨超级计算中心的SuperMUC-NG超级计算机上的计算能力。它直接挑战了我们对磁化湍流在天体物理环境中运作方式的理解。
论文的首席作者、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·比蒂（James Beattie）希望该模型能够为星际介质、银河系整体的磁性，以及星际现象如星星形成和宇宙射线传播等提供新的见解。
“这是我们第一次能够以这种精确度和不同的尺度研究这些现象，”他说。
该论文与普林斯顿大学、澳大利亚国立大学、澳大利亚研究理事会全天空天体物理卓越中心、海德堡大学、哈佛与史密森天体物理中心、哈佛大学以及巴伐利亚科学院和人文学科的研究人员共同撰写。
“湍流仍然是经典力学中最大未解的问题之一，”比蒂说，他还在普林斯顿大学担任联合职务。“尽管湍流无处不在：从咖啡中的旋转牛奶到海洋中的混乱流动、太阳风、星际介质，甚至是星系之间的等离子体。”
“在天体物理环境中，关键的区别在于磁场的存在，磁场根本改变了湍流的性质。”
虽然星际空间中的粒子远少于地球上超高真空实验中的粒子，但它们的运动足以产生一个磁场，不同于我们星球的熔融核心生成地球磁场的方式。
尽管银河磁场的强度是冰箱磁铁的几百万倍弱，但它仍然是塑造宇宙的力量之一。
比蒂的模型的最大版本是一个每个维度10,000个单位的立方体，提供比以前模型更大的细节。除了其高分辨率外，该模型是可扩展的，最大可模拟一个边长约30光年的空间体积；最小可缩小约5000倍。
在其最大规模下，该模型可以提高我们对银河系整体磁场的理解。当缩小时，它将帮助天文学家更好地理解像从太阳辐射出的太阳风这样更“紧凑”的过程，这些过程极大地影响着地球。
由于其更高的分辨率，该模型还有潜力提供对星形成的更深刻理解。“我们知道，磁压力通过对抗重力，推动星形成星云的外部来反对星形成，”比蒂说。“现在我们可以详细量化在这些尺度上对磁湍流的期待。”
除了其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标志着一个重要的进步——从令人难以置信的稀薄近真空到在星形成星云中发现的更高密度。
“我们的模拟特别能够捕获星际介质的极端密度变化，这是以前的模型未曾考虑到的。”比蒂说。
在开发下一个世代的模型时，比蒂正在测试他的模拟与从太阳-地球系统观察中收集的数据的匹配。
“我们已经开始测试该模型是否与太阳风和地球的现有数据匹配——结果看起来非常不错，”比蒂说。“这令人非常兴奋，因为这意味着我们可以通过我们的模拟来了解空间天气。空间天气非常重要，因为我们谈论的是轰击卫星和太空中人类的带电粒子以及其他地球影响。”
根据比蒂的说法，这一新模型是在对天体物理湍流日益关注的时刻问世的，同时对星际介质的观察也在不断增加。随着像平方公里阵列（SKA）这样的新仪器上线——能够以极大的细节测量整个银河中湍流磁场的波动——像他的准确理论框架对于解释磁湍流将变得更加关键。
比蒂被这项研究所吸引的原因之一是其优雅的一致性——从星际等离子体到咖啡杯中的漩涡。
“我喜欢进行湍流研究，因为它的普遍性，”比蒂说。“无论你是在观察星系之间的等离子体、星系内、在太阳系中、在咖啡杯中，还是在梵高的《星空》中，它都看起来是一样的。”
“在这些不同层面上出现的方式有一种非常浪漫的感觉，我觉得这非常激动人心。”
