میدان مغناطیسی کهکشان‌ها در شبیه‌سازی‌های بزرگ مقیاس کیهان‌شناسی

نماهای متفاوت از یک کهکشان در شبیه‌سازی TNG. منبع.نیروی الکترومغناطیسی یکی از نیروهای بنیادی در طبیعت است (در کنار نیروهای برهم‌کنش ضعیف، قوی و گرانش). در جهان، میدان مغناطیسی در مقیاس‌های بسیار متفاوتی وجود دارد. ستارگان، ابرهای مولکولی، ماده میان‌ستاره‌ای، کهکشان‌ها، فضای میان کهکشانی، ساختارهای بزرگ مقیاس رشته‌‌ای (شامل خوشه‌های کهکشانی) و ... همه و همه درجاتی از مغناطیدگی دارند، از حدود ۰٫۵ تا ۱۰ گوس در سطح زمین و خورشید تا چند میکرو گوس در ابرهای تشکیل دهنده ستارگان تا یک‌ دهم نانو گوس و کمتر در فضای میان کهکشانی( میدان مغناطیسی آهنربای یخچال منزل شما حدود ۵۰ گوس است). اینکه این میدان چگونه به وجود آمده و چه نقشی در تحول ساختارها در عالم دارد یکی از سؤالات مهم در اخترفیزیک و کیهان‌شناسی است. اخیراً ما در یک پژوهش، میدان مغناطیسی را در کهکشان‌های شبیه‌سازی بزرگ مقیاس کیهان‌شناسی TNG بررسی کردیم. خب بگذارید تا ابتدا کمی درباره TNG صحبت کنیم.نمایش ساختارها در نسخه‌های متفاوت TNG شبیه‌سازی TNG یکی از پیشرفته‌ترین شبیه‌سازی بزرگ مقیاس کهکشانی انجام شده تا حال حاضر است. پیشرفته از این لحاظ که فیزیک زیادی را در خود جای داده است. مواردی همچون: نسخه‌هایی برای تشکیل و تحول ستاره‌ها، بازخوردهای ستاره‌ای مانند باد ناشی از انفجارات ابرنواختری و ستاره‌های سنگین و نیز تشکیل، تحول و بازخورد ناشی از سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم در مرکز کهکشان‌ها. این شبیه‌سازی که بر مبنای ماده تاریک سرد به همراه اثرات ماده باریونی (همان ماده معمولی خودمان) بنیان نهاده شده است، توانسته است با موفقیت تشکیل کهکشان‌ها از ابتدای عالم تاکنون را بازسازی کند. ان‌شاءالله در آینده بیشتر در مورد این شبیه‌سازی خواهم نوشت. اما کار ما چه بود؟خب، یکی از جنبه‌های جدید و مهم TNG، اضافه شدن میدان مغناطیسی به شبیه‌سازی است. موارد مشابه قبلی تنها نیروی گرانش و هیدرودینامیک را در نظر گرفته بودند. این بدین معنی است که با استفاده از خروجی‌های این شبیه‌سازی و تا حدی که توان تفکیک این شبیه‌سازی اجازه می‌دهد (در بهترین حالت حدود ۵۰ پارسک یا ۱۵۰ سال نوری، در نظر بگیرید که شعاع کهکشان ما چیزی در حدود ۱۵ هزار پارسک است) می‌توان اثر میدان مغناطیسی در تشکیل کهکشان‌ها را مطالعه کرد. همان‌طور که در ابتدا ذکر شد، میدان مغناطیسی در تحول ساختارها از جمله کهکشان‌ها و تحول ساختارها خود بر شکل‌گیری و تقویت میدان مغناطیسی در آن‌ها مؤثر است. در یک پژوهش جالب در سال۲۰۱۶/۱۳۹۴، طباطبایی و همکاران با جمع‌آوری داده‌های رصدی میدان مغناطیسی کهکشان‌های نزدیک (رصد میدان مغناطیسی در کهکشان‌های دور همچنان ممکن نیست) نشان دادند که بین میدان مغناطیسی بزرگ مقیاس (در ابعاد کیلو پارسک) و جرم دینامیکی (جرم ماده باریونی + ماده تاریک احتمالی) این کهکشان‌ها همبستگی قوی وجود دارد. این همبستگی احتمالاً به دلیل جفت‌شدگی گاز با میدان مغناطیسی ناشی از برش شاره و امواج چگالی موجود در کهکشان‌های مارپیچی به وجود می‌آید.اما به دلیل محدود بودن مشاهدات، بررسی این رابطه به‌وسیله شبیه‌سازی‌ها به فهم ما در این مسأله کمک فراوانی می‌کند. به این دلیل ما تصمیم گرفتیم تا در قدم نخست به بررسی روابط موجود بین میدان مغناطیسی کهکشان‌ها با سایر خصوصیات آن‌ها با بیشترین توان تفکیک موجود در شبیه‌سازی TNG بپردازیم. به علاوه وجود رابطه ذکر شده بین جرم دینامیکی و میدان مغناطیسی را نیز تحقیق کنیم.از راست به چپ: میدان مغناطیسی، دما و چگالی یک کهکشان نمونه در شبیه‌سازی TNG. ردیف بالا نمای از روبرو و ردیف پایین نمای از لبه را نشان می‌دهد.نتایج ما وجود یک همبستگی مشابه به آنچه طباطبایی و همکاران مشاهده کرده بودند را نشان می‌دهد. همچنین متوجه شدیم همبستگی بین کمیت ستاره‌زایی و میدان مغناطیسی از همبستگی بین جرم دینامیکی و میدان مغناطیسی قوی‌‌تر است که می‌تواند نشان‌دهنده اهمیت ستاره‌زایی در تقویت میدان مغناطیسی میانگین کهکشان‌ها در این نوع شبیه‌سازی‌ها باشد همچنین ما متوجه شدیم در مدل TNG، کهکشان‌هایی که ابرسیاهچاله مرکزی آن‌ها سنگین‌تر از ۱۰ به توان ۸ جرم خورشید است، به دلیل فعالیت این سیاهچاله و برون شارش گاز سرد، از رابطه ذکر شده بین جرم دینامیکی و میدان مغناطیسی تبعیت نمی‌کنند.نتایج این پژوهش در مجله اخترفیزیکی «بولتن ماهانه انجمن نجوم پادشاهی» تحت چاپ و در این پیوند در دسترس است. نسخه پیش چاپ این پژوهش از این پیوند قابل دریافت است.شایان ذکر است در این پژوهش، داده‌های شبیه‌سازی TNG با استفاده از توان خوشه محاسباتی سای‌کلاستر در دانشکده علوم دانشگاه فردوسی مشهد پردازش شده‌اند.