等離子體最詳細模擬圖來了

一項5月29日公布于預印本平臺arXiv的研究，對漂浮在宇宙中的混沌超音速等離子體進行了最詳細的模擬，揭示了復雜的漩渦磁場圖。

等離子體的結構，圖中用不同顏色代表了不同的電荷密度和氣體密度。圖片來源：James R. Beattie

帶電粒子云或等離子體在宇宙中無處不在，既可以小尺度存在，如太陽風，也可以覆蓋很遠的距離，如整個星系。這些云經歷湍流，后者類似于地球大氣層中的空氣。這決定了宇宙的關鍵特征，如磁場在太空中的變化或恒星形成的速度。

然而，湍流固有的混沌性質，以及等離子體以不同速度混雜在一起，使得人們無法以數學上的精確方式預測等離子體的行為。

現在，美國普林斯頓大學的James Beattie和同事使用德國萊布尼茨超級計算中心的SuperMUC-NG超級計算機，進行了同類計算機中最大的混沌等離子體模擬。

研究人員將等離子體固定在1萬立方體網格上，并對其進行人工混攪，就像攪拌咖啡一樣，以觀察湍流是如何在其中產生波紋的。Beattie說，如果在一臺標準單核計算機上運行模擬則需要1萬年。

從模擬網格一個非同尋常的切片中，研究人員可以觀察到等離子體復雜的結構。圖像上半部分顯示了電荷密度，紅色區域表示高密度，藍色區域表示低密度。圖像下半部分顯示氣體密度，黃橙色表示高密度，綠色表示低密度。白線表示產生的磁力線輪廓。

Beattie表示，除了讓研究人員了解等離子體通常如何在宇宙中運動外，這次模擬還有一個意想不到的結果。該團隊了解到，來自巨大等離子體的磁場運動不會如涓涓細流般達到最小尺度，而是從大尺度湍流一直運動到原子本身。

“大尺度和小尺度的混合特性似乎非常不同。事實上，小尺度湍流比你預期的要小得多。”Beattie說。

相關論文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.16626