如何通过一种发电机过程放大预先存在的磁场的

当我们望向深空，目光所及的所有天体都嵌入了磁场。不仅在恒星和行星的附近是这样，而且在星系和星系团之间的深空同样如此。这些磁场非常弱，通常比冰箱贴上的那种磁铁弱得多，但它们格外重要，因为它们对宇宙的动力学有着深刻的影响。

尽管科学家对此进行了数十年的研究，但这些宇宙磁场的起源仍然是宇宙学中最深刻的谜团之一。

在先前的研究中，科学家认识到湍流，也就是所有类型的流体所共有的搅动运动，是如何通过一种发电机过程放大预先存在的磁场的。但这个惊人的发现却将这个谜团推向了更深一层，那就是，如果湍流发电机效应只能放大现有的磁场，那么“种子”磁场最初又是从何而来呢？

想要获得对天体物理磁场的起源有一套完整的、自洽的答案，我们就必须探寻这些磁场最初的起源。

近日，一组科学家进行的新研究提供了一种答案，显示了宇宙产生磁场的基本过程，从一种完全未磁化的状态，到磁场强大到足以让发电机机制接管并放大到我们观测到的程度。

磁场无处不在  

自然出现的磁场在宇宙中随处可见。

早在几千年前，人们通过磁场与磁化矿物（比如天然磁石）的相互作用，就已经知道了它们的存在。甚至在我们的祖先对它们的性质或起源进行任何了解之前，磁场早已被用在导航等方面。

太阳的磁性在20世纪初被发现，因为它会对太阳光谱产生影响。从那时起，更强大的望远镜在太空深处发现，这些磁场其实无处不在。

虽然科学家早就学会了如何制造并使用磁铁和电磁铁，它们在地球上已经有了各种各样的实际应用，但宇宙中磁场的自然起源仍然是个谜。

发电机效应  

科学家通过考虑在实验室中产生电场和磁场的方式开始思考这个问题。当铜线这样的导体在磁场中移动时，就会产生电场。这种场，或者说电压，可以驱动电流。这就是我们每天使用的电是如何产生的。正是通过这种感应过程，发电机可以将机械能转换成电磁能，为我们的家庭和办公室提供能源。

而发电机的一个关键特征就是，它们需要磁场才能工作。但宇宙中并没有明显的“电线”或者那种巨大的钢铁结构，磁场要如何产生？

这个问题的进展始于大约一个世纪前，当时科学家正在思考地球磁场的来源。对地震波传播的研究表明，在地幔温度相对较低的表层之下，地球的大部分其实是液体，而且有一个由熔融的镍和铁构成的核。研究人员推测，这种炽热的导电液体的对流运动，和地球的旋转以某种方式结合在了一起，产生了地球的磁场。

 

星球发电机效应示意图。图中所绘的是古老的月球。

最终，一些模型显示了对流运动如何能放大现有的磁场。这是一个自组织的例子，也就是在复杂的动态系统中经常看到的一种特征，大规模的结构从小规模的动态中自发地增长。但就像在发电站中，你需要一个磁场来制造一个磁场。

一种类似的过程遍布整个宇宙。然而，在恒星和星系以及它们之间的太空中，导电的液体不是熔融的金属，而是等离子体，那是一种存在于极高温度下的物质状态，电子从原子上被“扯”下来。在这样的介质中，发电机效应可以放大现有的磁场，只要它从某个最低水平开始。

制造第一个磁场  

那么问题在于，这个最初的“种子场”是从哪里来的？

在这项新研究中，科学家开发了一种基础理论，并在强大的超级计算机上进行了数值模拟，显示了种子场是如何产生的，以及存在哪些基本过程在起作用。

存在于恒星和星系之间的等离子体的一个重要特点是，它非常分散，通常每立方米仅有约一个粒子。这与恒星内部的情况截然不同，那里的粒子密度要高30个数量级。极低的密度意味着，宇宙等离子体中的粒子从未发生碰撞，这对它们的行为有重要影响。

团队的计算追踪了这些等离子体中的动力学，它们从有序的波发展而来，但随着振幅增加，相互作用变得极度非线性时，它们也变成了湍流。

研究通过详细探索小尺度的等离子体动力学对宏观天体物理过程的详细影响，最终证明了最初的磁场可以通过像剪切流一样通用大规模运动而自发产生。就像地球上的例子那样，机械能会被转化为磁能。

 

第一原理数值模拟中未磁化的等离子体大规模运动产生的丝状种子磁场的可视化图像。

他们计算的一项重要输出是预期自发产生的磁场的振幅。这表明，磁场振幅可以从零上升到等离子体被“磁化”的水平，也就是说，等离子体动力学受到了场的存在的强烈影响。从这一刻起，传统的发电机机制就能开始起作用，并将场提高到观测到的水平。

因此，这项研究代表了在宇宙尺度上产生磁场的一个自洽模型。

理解宇宙磁发生的第一步  

研究人员表示，尽管几十年来在宇宙学方面取得了显著的进展，但宇宙中磁场的起源仍然是未知的。看到最先进的等离子体物理理论和数值模拟被用于解决这一基本问题，是一种非常美妙的感觉。

团队将继续完善他们的模型，并研究从种子场的产生，到发电机的放大阶段的“交接”。他们未来研究的一个重要部分是确定这个过程是否能在与天文观测一致的时间尺度上起作用。

研究人员相信，这项工作为建立一个理解宇宙中磁发生的新范式提供了第一步。

审核编辑：刘清