新技术精确模拟银河系星际湍流
05/15
07:13
星际介质湍流模拟。图片来源：加拿大多伦多大学
加拿大多伦多大学、美国普林斯顿大学、澳大利亚国立大学的联合团队展开合作，开发出一种创新的计算机模拟技术，能以前所未有的高精度和大尺度深入探索星际介质（ISM）中的磁力和湍流。ISM是充满银河系恒星之间的气体和带电粒子的广阔空间。这一模型将能为研究ISM、银河系磁力、恒星形成和宇宙射线传播等天体物理现象提供新的见解。相关研究成果发表于最新一期《自然·天文学》杂志。
无论是在星系间、星系内、太阳系内，还是在日常生活中，湍流的表现都惊人地相似，这种一致性具有极大的科学吸引力。天体物理环境中的湍流与地球上的湍流略有所区别，其中的关键区别在于磁场的存在，这从根本上改变了湍流的性质。在星际空间中，粒子数量远少于地球上真空实验中的粒子，但它们的运动足以产生磁场。
银河系磁场的强度虽然仅为冰箱磁铁的几百万分之一，但仍是塑造宇宙的重要力量之一。此次的新模型是目前同类系统中最强大的，它的运行依赖于德国莱布尼茨超级计算中心的SuperMUC-NG超级计算机。它正挑战着人们对磁化湍流如何在天体物理环境中运作的理解。
新模型在尺寸和细节上都取得了重大突破，最大版本可模拟约30光年边长的空间体积，而最小版本则可缩小为大约1/5000。这一模型有助于人们理解银河系整体磁场。
新模型除了具有更高的分辨率和可扩展性，还能模拟ISM密度的动态变化，这是以往模型所未能考虑的。团队利用从太阳—地球系统观测的数据来测试模拟结果，取得了良好的匹配。这意味着通过模拟就可更好地了解太空天气及其对地球的影响。
湍流普遍存在于星际、大气、海洋、江河等自然现象和飞行器尾流、燃烧器燃烧等工程现象中。湍流问题是力学中一个复杂的问题，足够人们终其一生去研究。天体物理环境中的湍流与地球上的湍流略有区别，关键在于磁场。借助超级计算机的计算能力，科研人员开发出一种模拟技术，能以更高分辨率对星际介质中的磁力和湍流进行观察。这种模型让我们了解磁场如何引导气体流动、影响恒星诞生，并更加清楚如太阳风暴之类的宇宙天气对地球的影响。
