Medan magnet ditemukan di mana saja di alam semesta, mulai dari planet, bintang, hingga seluruh galaksi. Kekuatan tak terlihat ini memengaruhi peristiwa dan proses besar kosmik, termasuk badai matahari, pergerakan partikel berenergi tinggi, dan bahkan pembentukan galaksi. Meskipun medan magnet kecil seringkali kacau dan bergejolak, struktur magnet yang jauh lebih besar tampak terorganisir secara mengejutkan. Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah berjuang untuk menjelaskan bagaimana kekacauan di ruang angkasa dapat menciptakan keteraturan dalam skala sebesar itu.
Kini, para peneliti yang dipimpin oleh para ilmuwan di Universitas Wisconsin-Madison yakin mereka telah menemukan potongan teka-teki yang hilang.
Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan di Alamtim menggunakan simulasi komputer yang sangat rinci untuk mempelajari aliran plasma. Hasil penelitian mereka menunjukkan bahwa medan magnet besar dapat muncul ketika plasma turbulen mengembangkan aliran seperti jet yang terorganisir. Penemuan ini memberikan penjelasan baru tentang bagaimana medan magnet kosmik terbentuk dan dapat membantu para ilmuwan lebih memahami segala hal mulai dari pembentukan lubang hitam hingga cuaca luar angkasa di dekat Bumi.
“Medan magnet di seluruh kosmos berskala besar dan teratur, namun pemahaman kita tentang bagaimana medan magnet ini dihasilkan adalah bahwa medan magnet tersebut muncul dari semacam gerakan turbulen,” kata penulis utama studi tersebut, Bindesh Tripathi, mantan mahasiswa pascasarjana fisika UW-Madison dan peneliti pascadoktoral di Universitas Columbia. “Mengingat turbulensi dikenal sebagai agen destruktif, pertanyaannya tetap: bagaimana turbulensi dapat menciptakan dampak konstruktif dalam skala besar?”
Mencari keteraturan dalam turbulensi kosmik
Sebelum fokus pada medan magnet tiga dimensi (3D), Tripathi telah mempelajari sistem yang melibatkan aliran fluida dan medan magnet dua dimensi (2D). Dengan memeriksa gambar dan video turbulensi magnet 3D, ia memperhatikan bahwa struktur magnet berskala besar menyerupai bentuk aliran berskala besar.
Namun, menerapkan dinamika fluida secara langsung ke medan magnet tidaklah mudah. Masalah aliran fluida seringkali dapat disederhanakan dalam dua dimensi, namun pembangkitan medan magnet harus diselesaikan dalam ruang 3D penuh, sehingga membuat perhitungan menjadi jauh lebih sulit.
Untuk menjawab tantangan tersebut, para peneliti memodifikasi dua aspek penting dari penelitian sebelumnya.
Yang pertama terdiri dari penambahan gradien kecepatan yang terus diperbarui ke dalam simulasi. Gradien kecepatan terjadi ketika bagian-bagian berbeda dari suatu sistem bergerak dengan kecepatan berbeda. Misalnya, seorang pengendara sepeda yang tiba-tiba menabrak tepi jalan mengalami penurunan kecepatan yang curam saat sepedanya berhenti, namun momentum pengendara sepeda tersebut terus berlanjut ke depan. Efek serupa terjadi di seluruh alam semesta, termasuk di dalam Matahari dan selama penggabungan bintang neutron. Tim menduga gradien ini mungkin berperan besar dalam pembentukan medan magnet.
Simulasi superkomputer besar-besaran mengungkap sebuah pola
Langkah besar kedua adalah kekuatan komputasi. Para peneliti melakukan simulasi paling rinci tentang medan magnet yang berinteraksi dengan gradien kecepatan yang tidak stabil. Model mereka menggunakan 137 miliar titik grid dalam ruang 3D.
Secara total, tim menjalankan sekitar 90 simulasi, menghasilkan 0,25 petabyte data dan menghabiskan hampir 100 juta jam CPU pada superkomputer Anvil Universitas Purdue.
“Kami memulai simulasi dengan aliran yang memiliki gradien kecepatan, lalu kami menambahkan gangguan kecil, seperti menggerakkan partikel fluida dengan sangat kecil, kami membiarkan gangguan tersebut menyebar ke seluruh sistem dan berkembang, lalu menganalisis data seiring waktu,” kata Tripathi. “Awalnya, gangguan ini menyebabkan aliran turbulen dan medan magnet pada struktur berskala kecil, dan kemudian, seiring berjalannya waktu, gangguan tersebut muncul menjadi struktur yang lebih besar dan teratur.”
Ketika para peneliti mengulangi simulasi tanpa mempertahankan gradien kecepatan skala besar, struktur magnet yang terorganisir tidak pernah terbentuk. Sebaliknya, sistem tetap kacau dan tidak teratur.
“Jadi itu kunci utamanya: memiliki gradien kecepatan yang konstan dan berskala besar,” tegasnya.
Perbaiki masalah medan magnet yang sudah berlangsung lama
Para ilmuwan telah mempelajari dinamo magnet, proses yang menghasilkan medan magnet, selama sekitar 70 tahun. Namun sebagian besar model teoretis kesulitan menghasilkan struktur magnetis yang besar dan teratur seperti yang diamati para astronom di luar angkasa.
Paul Terry, profesor fisika di UW-Madison dan penulis utama studi ini, menambahkan: “Pembentukan medan magnet melalui dinamo telah dipelajari secara ekstensif selama 70 tahun, dengan hasil yang mengecewakan karena medan magnet yang dihasilkan hampir selalu berskala kecil dan sangat tidak teratur, bertentangan dengan pengamatan. Jadi penelitian ini berpotensi memecahkan masalah yang sudah lama ada.”
Meskipun teori baru ini tidak dapat diuji secara langsung di lingkungan kosmik yang jauh, percobaan laboratorium sebelumnya tampaknya mendukung hasil ini. Pada tahun 2012, para peneliti di Laboratorium Fisika Plasma Wisconsin mengamati perilaku medan magnet yang tidak dapat dijelaskan oleh teori yang ada. Model baru yang dikembangkan oleh Tripathi dan rekannya lebih selaras dengan hasil eksperimen yang membingungkan ini.
Implikasinya terhadap lubang hitam, bintang neutron, dan cuaca luar angkasa
Hasilnya bisa mempunyai implikasi penting dalam bidang astrofisika.
“Pekerjaan ini berpotensi menjelaskan dinamika magnet yang relevan, misalnya, dalam penggabungan bintang neutron dan pembentukan lubang hitam, dengan penerapan langsung pada astronomi multi-messenger,” kata Tripathi. “Ini juga dapat membantu lebih memahami medan magnet bintang dan memprediksi emisi gas dari Matahari ke Bumi.”
Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation (2409206) dan Departemen Energi AS (DE-SC0022257) melalui DOE/NSF Fundamental Plasma Science and Engineering Partnership. Superkomputer Anvil di Universitas Purdue digunakan di bawah hibah TG-PHY130027 dari program Advanced Cyberinfrastructure Coordinate Ecosystem: Services & Support (ACCESS), didukung oleh National Science Foundation (2138259, 2138286, 2138307, 2137603, dan 2138296).
