Magnetohydrodynamics (MHD)
Magnetohidrodinamika (MHD) adalah model yang memperlakukan fluida yang menghantarkan listrik sebagai satu medium kontinu, mempertimbangkan perilaku medan magnet dalam plasma dan logam cair. Model ini memiliki berbagai aplikasi di berbagai bidang, termasuk astrofisika dan rekayasa (Teknik). Dalam astrofisika, MHD digunakan untuk mempelajari berbagai fenomena, seperti pembentukan medan magnet melalui proses dinamo, perilaku plasma dalam keberadaan medan magnet, dan dinamika aliran astrofisika. Aplikasi astrophysika dasar dari MHD dikembangkan sejak tahun 1950-an, dan banyak fenomena astrofisika dipengaruhi oleh keberadaan medan magnet atau hanya dapat dijelaskan dalam konteks proses magnetohidrodinamika. MHD sangat penting untuk memahami fenomena seperti pembentukan medan magnet matahari, dinamika cakram akresi di sekitar lubang hitam, dan perilaku plasma dalam medium antarbintang. Oleh karena itu, MHD memainkan peran penting dalam memajukan pemahaman kita tentang perilaku fluida yang termagnetisasi di alam semesta.
Gambar 1 Salah satu ilustrasi simulasi MHD pada cakram akresi lubang hitam
Persamaan
Persamaan magnetohidrodinamika adalah penyederhanaan dari persamaan mekanika fluida yang dipasangkan dengan persamaan Maxwell. Dibandingkan dengan fisika plasma secara umum, MHD adalah teori yang sangat disederhanakan. Dari kerangka kerja formal elektrodinamika vakum dengan dua medan vektor EM, arus, dan kerapatan muatan, MHD dapat dijelaskan hanya dengan satu vektor tambahan: medan magnet. 'Aproksimasi MHD' yang membuat ini memungkinkan melibatkan beberapa asumsi:
1. Aproksimasi fluida: kuantitas termodinamika lokal dapat didefinisikan dengan makna dalam plasma, dan variasi dalam kuantitas ini lambat dibandingkan dengan skala waktu proses mikroskopis dalam plasma. Ini adalah aproksimasi yang esensial.
2. Dalam plasma, terdapat hubungan lokal dan seketika antara medan listrik dan kerapatan arus (hukum Ohm).
3. Plasma bersifat netral secara listrik.
Fluida Ideal
Dalam konteks magnetohidrodinamika (MHD) dari fluida yang mengalir sempurna, yaitu dalam ketiadaan resistansi listrik, kasus ini juga disebut MHD ideal.
Medan listrik dalam konduktor sempurna sederhananya menghilang, karena arus listrik akan menjadi besar begitu saja jika tidak demikian. Namun, fluida yang kita pertimbangkan umumnya bergerak. Karena adanya medan magnet, medan listrik hanya menghilang dalam suatu kerangka acuan yang bergerak bersama aliran; dalam kerangka referensi lain, terdapat medan listrik yang harus dipertimbangkan.
Asumsikan fluida bergerak dengan kecepatan v(r) relatif terhadap pengamat. Biarkan 𝐸0 dan 𝐵0 menjadi kekuatan medan listrik dan magnetik yang diukur dalam suatu kerangka inersia instan di mana fluida beristirahat (lokal di titik r, pada waktu t). Ini disebut sebagai kerangka bergerak bersama atau kerangka fluida. Mereka berhubungan dengan medan E, B yang diukur dalam kerangka pengamat oleh transformasi Lorentz (misalnya, Jackson E&M Bab 11.10). Biarkan 𝐸𝑘 = 𝑣 ·𝐸
𝑣 menjadi komponen E sejajar aliran, 𝐸⊥ = 𝐸 − 𝑣 𝐸 · 𝑣
𝑣2 menjadi komponen tegak lurus E, dan serupa untuk B. Transformasinya kemudian adalah:
Dengan asumsi konduktivitas tak terbatas, 𝐸′= 0. Medan Listrik yang terukur oleh pengamat adalah:
𝐄 = −v × 𝐁/c
Asumsi yang berguna adalah bahwa permeabilitas magnetik dan sifat dielektrik dari fluida dapat diabaikan, suatu pendekatan yang baik untuk banyak aplikasi astrofisika. Ini memungkinkan untuk mengabaikan perbedaan antara kekuatan medan magnet dan induksi magnet, serta antara medan listrik dan pergeseran. Ini bukan merupakan asumsi yang esensial. Persamaan Maxwell pada saat itu adalah:
Persamaan Induksi
Berdasarkan persamaan di atas, persamaan induksi menjadi:
Persamaan ini dikenal sebagai persamaan induksi untuk MHD ideal yang mendeskripsikan bagaimana medan magnet yang secara sempurna mengonduksi fluida berubah terhadap waktu di bawah pengaruh kecepatan medan v.
Penelitian
Penelitian mengenai magnetohidrodinamika (MHD) telah diterapkan pada fase "pasta" dalam bintang neutron. Fase pasta merupakan keadaan materi hipotetis yang mungkin ada di kerak bintang neutron, di mana inti-inti disusun dalam bentuk kompleks seperti batang, lempeng, dan tabung. Dalam keadaan
ini, materi berperilaku seperti kristal cair, dan proton dan neutron terkait dengan medan magnet.
Penerapan MHD superkonduktor-superfluid pada fase pasta menunjukkan bahwa gaya pelatukan yang dihasilkan oleh ketinggalan kecepatan superfluid dan medan magnet mungkin cukup besar untuk menyebabkan tekanan kritis dalam bintang neutron, yang dapat memicu gempa bintang. Penelitian mengenai MHD dalam fase pasta bintang neutron masih merupakan area penelitian yang aktif, dan terdapat beberapa masalah terbuka yang perlu diatasi.
Salah satu penelitian MHD dalam pasta bintang neutron adalah penelitian yang dilakukan oleh D. N.
Kobyakov yang menerapkan magnetohidrodinamika superkonduktor-superfluid pada fase "pasta"
dalam bintang neutron. Fase pasta merupakan keadaan materi hipotetis yang mungkin ada di kerak bintang neutron, di mana inti-inti disusun dalam bentuk kompleks seperti batang, lempeng, dan tabung. Hasil penelitian menunjukkan bahwa gaya pelatukan yang dihasilkan oleh ketinggalan kecepatan superfluid dan medan magnet mungkin cukup besar untuk menyebabkan tekanan kritis dalam bintang neutron, yang dapat memicu gempa bintang. Penelitian ini juga membahas kemungkinan hubungan antara gaya pelatukan dan mekanisme pemicu gempa bintang magnetar, menyoroti pentingnya penelitian ini dalam memahami dinamika bintang neutron. Penelitian ini diterbitkan dalam Physical Review C pada tahun 2018, dan sebuah koreksi diterbitkan pada tahun 2023.
Beberapa potensi aplikasi praktis dari penelitian tentang pasta nuklir dalam bintang neutron meliputi:
1. Memahami Sifat Bintang Neutron: Pasta nuklir memiliki implikasi penting terhadap properti bintang neutron dan supernova runtuh inti. Penelitian pasta nuklir dapat membantu kita memahami perilaku materi dalam lingkungan astrofisika yang ekstrem.
2. Asteroseismologi Bintang Neutron: Sifat elastis pasta nuklir memainkan peran penting dalam memahami asteroseismologi bintang neutron, yang membantu mempelajari struktur dan dinamika internal objek-objek ini.
3. Interaksi Neutrino-pasta: Pasta nuklir telah terbukti memiliki implikasi penting terhadap properti bintang neutron dan supernova runtuh inti, termasuk interaksi neutrino-pasta.
4. Mekanisme Pemicu Gempa Bintang: Studi magnetohidrodinamika superkonduktor-superfluid dalam pasta nuklir dapat membantu kita memahami gaya pelatukan yang dihasilkan oleh ketinggalan kecepatan superfluid dan medan magnet, yang mungkin cukup besar untuk menyebabkan tekanan kritis dalam bintang neutron, potensial memicu gempa bintang.
5. Keunikan Pembentukan Bintang: Ada kemungkinan bahwa beberapa keunikan pembentukan bintang telah membatasi jumlah bintang neutron dengan pasta nuklir, dan memahami fenomena ini dapat memiliki implikasi untuk pemahaman pembentukan bintang dan properti bintang neutron.
Referensi:
https://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/~henk/mhd12.pdf https://vixra.org/pdf/1809.0371v1.pdf
https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/1710.02018
https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.108.049901
