Les astronomes ont développé une simulation informatique pour explorer, dans des détails sans précédent, le magnétisme et la turbulence dans le milieu interstellaire (ISM) – le vaste océan de gaz et les particules chargées qui se trouvent entre les étoiles dans la galaxie de la Voie lactée.
Décrit dans une étude publiée dans Astronomie naturellele modèle est le plus puissant à ce jour, nécessitant la capacité informatique du supercalculateur SuperMUC-NG au Leibniz Supercomputing Center en Allemagne. Il remet directement sur notre compréhension du fonctionnement de la turbulence magnétisée dans des environnements astrophysiques.
James Beattie, l'auteur principal du journal et chercheur postdoctoral à l'Institut canadien pour l'astrophysique théorique (CITA) à l'Université de Toronto, espère que le modèle fournira de nouvelles perspectives sur l'ISM, le magnétisme de la galaxie de la voie lactée comme un ensemble et des phénomènes astrophysiques tels que la formation de star et la propagation des raies cosmiques.
« C'est la première fois que nous pouvons étudier ces phénomènes à ce niveau de précision et à ces différentes échelles », dit-il.
Le document a été co-écrit avec des chercheurs de l'Université de Princeton; Université nationale australienne; l'Australian Research Council Center of Excellence in All Sky Astrophysics; Universität Heidelberg; le Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian; Université Harvard; et l'Académie bavaroise des sciences et des sciences humaines.
« La turbulence reste l'un des plus grands problèmes non résolus en mécanique classique », explique Beattie, qui est également une nomination conjointe à l'Université de Princeton. « Ceci malgré le fait que la turbulence est omniprésente: du lait tourbillonnant dans notre café aux flux chaotiques dans les océans, du vent solaire, du milieu interstellaire, même du plasma entre les galaxies.
« La distinction clé dans les environnements astrophysiques est la présence de champs magnétiques, qui modifient fondamentalement la nature des flux turbulents. »
Bien qu'il y ait beaucoup, beaucoup moins de particules dans l'espace interstellaire que dans les expériences de vide ultra-élevé sur Terre, leurs mouvements sont suffisants pour générer un champ magnétique, un peu comme le mouvement du cœur fondu de notre planète génère le champ magnétique de la Terre.
Et tandis que le champ magnétique galactique est à quelques millions de fois plus faible qu'un aimant de réfrigérateur, c'est néanmoins l'une des forces qui façonne le cosmos.
La plus grande version du modèle de Beattie est un cube de 10 000 unités par dimension qui fournit des détails beaucoup plus importants que les modèles précédents. En plus de sa haute résolution, le modèle est évolutif et peut simuler, à son plus grand, un volume d'espace environ 30 années-lumière d'un côté; À son plus petit, il peut être réduit par un facteur d'environ 5 000.
Dans son plus grand, le modèle peut améliorer notre compréhension du champ magnétique global de la Galaxie de la Galaxie lacée. Lorsqu'elle est réduite, cela aidera les astronomes à mieux comprendre davantage de processus « compacts » comme le vent solaire qui s'étend vers l'extérieur du soleil et affecte grandement la Terre.
En raison de sa résolution plus élevée, le modèle a également le potentiel de fournir une compréhension plus profonde de la formation d'étoiles. « Nous savons que la pression magnétique s'oppose à la formation d'étoiles en poussant vers l'extérieur contre la gravité alors qu'elle essaie d'effondrer une nébuleuse de formation d'étoiles », explique Beattie. « Maintenant, nous pouvons quantifier en détail à quoi s'attendre de la turbulence magnétique sur ce type d'écailles. »
En plus de sa résolution et de son évolutivité plus élevées, le modèle marque également une progression significative en simulant les changements dynamiques de la densité de l'ISM – d'un vacuum proche incroyablement ténu aux densités plus élevées trouvées dans les nébules de formation d'étoiles.
« Ce que notre simulation capture très bien », explique Beattie, « est les changements extrêmes de densité de l'ISM, quelque chose que les modèles précédents n'avaient pas pris en compte. »
Alors qu'il développe la prochaine génération du modèle avec, entre autres, une résolution encore plus élevée, Beattie teste également sa simulation contre les données collectées à partir des observations du système Sun-Earth.
« Nous avons déjà commencé à tester si le modèle correspond aux données existantes du vent solaire et de la Terre – et il semble très bien », explique Beattie.
« C'est très excitant car cela signifie que nous pouvons en apprendre davantage sur la météo spatiale avec notre simulation. Le temps spatial est très important parce que nous parlons des particules chargées qui bombardent les satellites et les humains dans l'espace et ont d'autres effets terrestres. »
Selon Beattie, le nouveau modèle vient à une époque d'intérêt croissant pour la turbulence astrophysique, ainsi que les observations en plein essor de l'ISM. Et comme de nouveaux instruments tels que le tableau carré kilomètre (SKA) sont en ligne – avec la capacité de mesurer les fluctuations dans les champs magnétiques turbulents à travers la galaxie en détail – des cadres théoriques précis comme le sien pour l'interprétation des turbulences magnétiques deviendront encore plus critiques.
L'une des choses qui attire Beattie à cette recherche est sa consistance élégante – du plasma intergalactique au tourbillon dans une tasse de café.
« J'adore faire des recherches sur les turbulences à cause de son universalité », explique Beattie. «Il se ressemble à la même chose que vous regardez le plasma entre les galaxies, dans les galaxies, dans le système solaire, dans une tasse de café ou dans la soirée étoilée de Van Gogh.
« Il y a quelque chose de très romantique dans la façon dont cela apparaît à tous ces différents niveaux et je pense que c'est très excitant. »
