Czechia












 Jak vzniklo první magnetické pole?
Zdánlivě jednoduchá otázka provokuje fyziky již mnoho desetiletí. Dosud na ní hledají tu nejpřijatelnější odpověď.

 

Zvětšit obrázek
Magnetické pole jedné z nejznámějších spirálních galaxií – galaxie M51 (Vírová galaxie). Černé úsečky znázorňují směr a velikost vektoru magnetické indukce, zjištěného z polarizace rádiového záření galaxie. Atlas magnetických polí některých blízkých galaxií.

Některá témata se v článcích přibližujících výsledky vědy širší veřejnosti téměř neobjevují. Jde o oblasti, kde věda – povětšinou teoretická fyzika – si vytvořila jakýsi vlastní svět pochopitelný (což není úplně výstižné slovo) přes složité soustavy rovnic popisujících jevy, jenž jsou běžnému životu častokrát velmi vzdálené. Neznamená to ale, že jde o řešení problémů odtržených od nám dostupné reality. I když i takových příkladů by se jistě několik našlo, povětšinou ty nejuchopitelnější jevy kladou ty nesložitější otázky.


Před pár dny Osel zveřejnil článek o snaze astrofyziků změřit a ne jenom teoreticky vypočíst hodnotu mezigalaktického pole. Pro fyziku je však mnohem „globálnější“ a vzrušující otázka, jak se magnetické pole v raném vesmíru vytvořilo. Jak a kde vznikly jeho zárodky – semínka (seeds), jak je ve vědeckých pracích nazývají autoři, kteří se snaží o vysvětlení tohoto odolávajícího rébusu, nad nímž si lámal svou slavnou hlavu i Einstein?


Magnetické pole planet, hvězd a galaxií formuje proces, který se fyzikálně celkem trefně nazývá magnetickým dynamem. Ve zmíněných případech nejde o vznik pole z "ničeho", ale o znásobení intensity stávajícího okolního pole složitým pohybem vodivého média (ionizovaných částic, plazmatu). A pohyb elektrického náboje v magnetickém poli generuje pole nové - sekundární, jež může být výrazně silnější, než to primární. Aby bylo fyzikálním zákonům zachování učiněno zadost, dodejme, že na magnetickou energii se proměňuje část té kinetické. Studiem vesmírných magnetických dynam se zabývá magnetohydrodynamika a základní principy jsou v podstatě známé.

Zvětšit obrázek
Teoretický model magnetosféry Jupiteru. Vysoce energetické plazma o velké hustotě podléhá hydrodynamickému tlaku vznikajícímu rychlou rotací. Kredit: Z. Jošida

 

To se ale nedá říci o vzniku prvních zárodků magnetických polí v raném vesmíru. Způsobily je střižné proudy a kolize ionizovaných atomů a molekul v protogalaktických mracích, z niž se pak zrodily první galaxie? Jeden z modelů naznačuje, že v postupně se smršťujícím oblaku by nelineární procesy mohly v průběhu asi 7 milionů let vytvořit rozměrově gigantické pole o intensitě asi 10-14 gaussu.


Další teorie předkládají obdobné způsoby vzniku primárních magnetických polí v turbulentních ionizujících procesech doprovázejících vzájemné srážky protogalaktických a protostelárních pracho-plyných mraků.


Další ze zajímavých teorií například předpokládá, že primární magnetická pole se zrodila při rozpadu netopologických elektroslabých strun na konci inflační fáze vesmíru, kdy se v takzvané elektroslabé fázi přechodu oddělily dvě základní fyzikální interakce (sjednocené v první 10-12 sekundě do jedné „síly“) elektromagnetická a slabá jaderná. Tato teorie se snaží zároveň vysvětlit stejné nasměrování rotačních os časoprostorově vzdálených aktivních jader velkých galaxií – kvazarů. Fyzikální zákulisí této představy ale pochopí asi jenom málo smrtelníků a odvážlivci se mohou o to pokusit na této stránce.

Zvětšit obrázek
Autoři nové, zajímavé teorie vzniku magnetických polí v raném vesmíru Swadesh Mahajan x Texaské university v Austinu a Zensho Jošida z Tokijské university.

 

Odborný časopis Physical Review Letters ve svém vydání z 27. srpna přináší článek Swadeshe Mahajanu z Texaské university v Austinu a Zensho Yoshidu (Jošidu) z Tokijské university, kteří k bohaté nabídce teorií vzniku prvotního magnetického pole v raném vesmíru přispěli další, o které v abstraktu řečí vědy uvádějí:
Prokázali jsme, že čistě ideální mechanismus, vznikající v deformacích prostoročasu, vyplývajících z požadavků speciální relativity, může prolomit topologické omezení (vedoucí k zachování helicity), což by v ideální nerelativistické dynamice zabraňovalo vytvoření magnetického pole (zobecněné vorticity). Nový mechanismus, jenž vyvstává z interakcí mezi nehomogenními proudovými poli a nehomogenní entropií, je univerzální a může vést k tvorbě vlastních zárodků i u středně velkých relativistických toků.

Zvětšit obrázek
Ve fyzikálních laboratořích Tokijské university mají zajímavé zařízení na výzkum plazmatu v magnetickém poli. Supravodivý magnet levituje ve vakuové komoře a vytváří magnetické dipólové pole, simulující zvenčí nerušenou magnetosféru (například Země).

 

Mahajana a Jošida vycházeli z předpokladu, že schopnost vytvořit zmíněné zárodky magnetických polí musí být dynamice sil působících v raném vesmíru vlastní. Dynamice, která by odpovídala obecné situaci a ne lokálním jevům, jakými jsou například šokové vlny procházející pracho-plynnými oblaky po výbuchu supernov. Na rozdíl od těchto představ jiných autorů, dvojice fyziků hledala řešení platné obecně. Je zřejmé, že mechanismus vzniku a zesílení magnetického pole si vyžaduje vznik vírového pole z vířivého pohybu nabitých částic plazmatu. Jenže v podmínkách nerelativistického ideálního termodynamického systému z nevírového pole vírové spontánně nevznikne a uměle vytvořené se časem rozpadá a zaniká.

Zdrojem rotační síly (rotace rychlostního pole - vorticity) v raném vesmíru mohly být samotné deformace čtyřrozměrného časoprostoru. Když autoři do rovnic popisujících pohyb v modelovém systému zavedli Lorentzův faktor, jenž představuje míru rozdílu mezi relativistickým a klasickým newtonovským pohybem (energií), podařilo se jim obejít topologické omezení, vyžadující zachování helicity, tedy (zjednodušeně) zachování směru rotace vzhledem ke směru pohybu. Rovnice speciální teorie relativity tedy autorům umožnily najít fyzikálně korektní podmínky, ve kterých i v ideálním termodynamickém systému vzniká spontánní rotace a udržuje se, pokud kinetická energie systému je nehomogenní. Tento mechanismus vytváří zárodky magnetických polí i v případě středně velkých relativistických toků.

Zvětšit obrázek
Model relativistického vzniku magnetického pole (vorticity). Jeho velikost je zobrazena na isobarickém povrchu (každý jeho bod má stejnou hodnotu tlaku) expandujícího proudu. Kredit: Z. Jošida, S.M. Mahajan

 

Pro příklad výpočtu si fyzikové zvolili tyto počáteční podmínky: hustotu elektronů deset miliard na centimetr krychlový, teplotu okolo 232 000 K (přesněji 20 eV) a rychlost rovnající se setině rychlosti světla. V takovém systému „relativistické řídící mechanismy“, jak je autoři nazvali, nejen umožnily tvorbu a nárůst magnetického pole, ale také převládaly nad jinými jevy až do intensity generovaného pole okolo jednoho gaussu. A to je mnohem vyšší intensita, než byla ve vesmíru naměřena u jakéhokoli galaktického pole. Ty dosahují hodnot v jednotkách až prvních desítkách mikrogaussů, tedy miliontin gaussu. Mahajanův – Jošidův mechanismus by tedy mohl být zdrojem prvotních magnetických polí ve vesmíru. „Tento příběh nebude nikdy zcela rozluštěn“, říká Mahajan. „Jsme ale přesvědčeni, že jsme našli malou část odpovědi.
Ale až další testy a relativistické simulace na superpočítačích, kvůli kterým autoři oslovili další vědce s návrhem na spolupráci, prokáží, jestli je tato odpověď správná.

 

Zdroje: Physical Review Letters (článek celý není volně přístupný ani přes arXiv), zpráva na stránce Tokijské university, tisková zpráva Texaské university v Austinu


Autor: Dagmar Gregorová
Datum:29.09.2010 v 15:16

Vytisknout článek               Poslat článek emailem

Související články:

Magnetická pole spouští gama záblesky     Autor: Pavel Koten

Voyager 1 na hranici 100 AU     Autor: Miroslava Hromadová

Kosmický supermagnet vysílá záhadnou „morseovku“     Autor: Miroslava Hromadová

Obří extragalaktická „chapadla“ magnetických polí     Autor: Miroslava Hromadová

Magnetický štít mladej Zeme     Autor: Dagmar Gregorová


Diskuze:

Tehelné pole - Šebo Juraj
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 378 Kč
cena: 306 Kč
Tehelné pole
Šebo Juraj
Oto Otépka
sponzor








Vypsat celou diskuzi
Nadpis: Tazatel: Datum: Reakcí:
orientačný bod

Milan Závodný

01.10.2010 v 22:19

0

Zobrazit odpovědi
Pro vstup do diskuse je třeba být přihlášen
Email: Heslo:
Nový účet nebo zaslání zapomenutého hesla je možno vyřídit zde