如何通過一種發(fā)電機(jī)過程放大預(yù)先存在的磁場(chǎng)的

當(dāng)我們望向深空，目光所及的所有天體都嵌入了磁場(chǎng)。不僅在恒星和行星的附近是這樣，而且在星系和星系團(tuán)之間的深空同樣如此。這些磁場(chǎng)非常弱，通常比冰箱貼上的那種磁鐵弱得多，但它們格外重要，因?yàn)樗鼈儗?duì)宇宙的動(dòng)力學(xué)有著深刻的影響。

盡管科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行了數(shù)十年的研究，但這些宇宙磁場(chǎng)的起源仍然是宇宙學(xué)中最深刻的謎團(tuán)之一。

在先前的研究中，科學(xué)家認(rèn)識(shí)到湍流，也就是所有類型的流體所共有的攪動(dòng)運(yùn)動(dòng)，是如何通過一種發(fā)電機(jī)過程放大預(yù)先存在的磁場(chǎng)的。但這個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)卻將這個(gè)謎團(tuán)推向了更深一層，那就是，如果湍流發(fā)電機(jī)效應(yīng)只能放大現(xiàn)有的磁場(chǎng)，那么“種子”磁場(chǎng)最初又是從何而來呢？

想要獲得對(duì)天體物理磁場(chǎng)的起源有一套完整的、自洽的答案，我們就必須探尋這些磁場(chǎng)最初的起源。

近日，一組科學(xué)家進(jìn)行的新研究提供了一種答案，顯示了宇宙產(chǎn)生磁場(chǎng)的基本過程，從一種完全未磁化的狀態(tài)，到磁場(chǎng)強(qiáng)大到足以讓發(fā)電機(jī)機(jī)制接管并放大到我們觀測(cè)到的程度。

磁場(chǎng)無處不在

自然出現(xiàn)的磁場(chǎng)在宇宙中隨處可見。

早在幾千年前，人們通過磁場(chǎng)與磁化礦物（比如天然磁石）的相互作用，就已經(jīng)知道了它們的存在。甚至在我們的祖先對(duì)它們的性質(zhì)或起源進(jìn)行任何了解之前，磁場(chǎng)早已被用在導(dǎo)航等方面。

太陽的磁性在20世紀(jì)初被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)太陽光譜產(chǎn)生影響。從那時(shí)起，更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡在太空深處發(fā)現(xiàn)，這些磁場(chǎng)其實(shí)無處不在。

雖然科學(xué)家早就學(xué)會(huì)了如何制造并使用磁鐵和電磁鐵，它們?cè)诘厍蛏弦呀?jīng)有了各種各樣的實(shí)際應(yīng)用，但宇宙中磁場(chǎng)的自然起源仍然是個(gè)謎。

發(fā)電機(jī)效應(yīng)

科學(xué)家通過考慮在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方式開始思考這個(gè)問題。當(dāng)銅線這樣的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。這種場(chǎng)，或者說電壓，可以驅(qū)動(dòng)電流。這就是我們每天使用的電是如何產(chǎn)生的。正是通過這種感應(yīng)過程，發(fā)電機(jī)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電磁能，為我們的家庭和辦公室提供能源。

而發(fā)電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵特征就是，它們需要磁場(chǎng)才能工作。但宇宙中并沒有明顯的“電線”或者那種巨大的鋼鐵結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)要如何產(chǎn)生？

這個(gè)問題的進(jìn)展始于大約一個(gè)世紀(jì)前，當(dāng)時(shí)科學(xué)家正在思考地球磁場(chǎng)的來源。對(duì)地震波傳播的研究表明，在地幔溫度相對(duì)較低的表層之下，地球的大部分其實(shí)是液體，而且有一個(gè)由熔融的鎳和鐵構(gòu)成的核。研究人員推測(cè)，這種熾熱的導(dǎo)電液體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，和地球的旋轉(zhuǎn)以某種方式結(jié)合在了一起，產(chǎn)生了地球的磁場(chǎng)。

星球發(fā)電機(jī)效應(yīng)示意圖。圖中所繪的是古老的月球。

最終，一些模型顯示了對(duì)流運(yùn)動(dòng)如何能放大現(xiàn)有的磁場(chǎng)。這是一個(gè)自組織的例子，也就是在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中經(jīng)常看到的一種特征，大規(guī)模的結(jié)構(gòu)從小規(guī)模的動(dòng)態(tài)中自發(fā)地增長(zhǎng)。但就像在發(fā)電站中，你需要一個(gè)磁場(chǎng)來制造一個(gè)磁場(chǎng)。

一種類似的過程遍布整個(gè)宇宙。然而，在恒星和星系以及它們之間的太空中，導(dǎo)電的液體不是熔融的金屬，而是等離子體，那是一種存在于極高溫度下的物質(zhì)狀態(tài)，電子從原子上被“扯”下來。在這樣的介質(zhì)中，發(fā)電機(jī)效應(yīng)可以放大現(xiàn)有的磁場(chǎng)，只要它從某個(gè)最低水平開始。

制造第一個(gè)磁場(chǎng)

那么問題在于，這個(gè)最初的“種子場(chǎng)”是從哪里來的？

在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家開發(fā)了一種基礎(chǔ)理論，并在強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了數(shù)值模擬，顯示了種子場(chǎng)是如何產(chǎn)生的，以及存在哪些基本過程在起作用。

存在于恒星和星系之間的等離子體的一個(gè)重要特點(diǎn)是，它非常分散，通常每立方米僅有約一個(gè)粒子。這與恒星內(nèi)部的情況截然不同，那里的粒子密度要高30個(gè)數(shù)量級(jí)。極低的密度意味著，宇宙等離子體中的粒子從未發(fā)生碰撞，這對(duì)它們的行為有重要影響。

團(tuán)隊(duì)的計(jì)算追蹤了這些等離子體中的動(dòng)力學(xué)，它們從有序的波發(fā)展而來，但隨著振幅增加，相互作用變得極度非線性時(shí)，它們也變成了湍流。

研究通過詳細(xì)探索小尺度的等離子體動(dòng)力學(xué)對(duì)宏觀天體物理過程的詳細(xì)影響，最終證明了最初的磁場(chǎng)可以通過像剪切流一樣通用大規(guī)模運(yùn)動(dòng)而自發(fā)產(chǎn)生。就像地球上的例子那樣，機(jī)械能會(huì)被轉(zhuǎn)化為磁能。

第一原理數(shù)值模擬中未磁化的等離子體大規(guī)模運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的絲狀種子磁場(chǎng)的可視化圖像。

他們計(jì)算的一項(xiàng)重要輸出是預(yù)期自發(fā)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的振幅。這表明，磁場(chǎng)振幅可以從零上升到等離子體被“磁化”的水平，也就是說，等離子體動(dòng)力學(xué)受到了場(chǎng)的存在的強(qiáng)烈影響。從這一刻起，傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)機(jī)制就能開始起作用，并將場(chǎng)提高到觀測(cè)到的水平。

因此，這項(xiàng)研究代表了在宇宙尺度上產(chǎn)生磁場(chǎng)的一個(gè)自洽模型。

理解宇宙磁發(fā)生的第一步

研究人員表示，盡管幾十年來在宇宙學(xué)方面取得了顯著的進(jìn)展，但宇宙中磁場(chǎng)的起源仍然是未知的?？吹阶钕冗M(jìn)的等離子體物理理論和數(shù)值模擬被用于解決這一基本問題，是一種非常美妙的感覺。

團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)完善他們的模型，并研究從種子場(chǎng)的產(chǎn)生，到發(fā)電機(jī)的放大階段的“交接”。他們未來研究的一個(gè)重要部分是確定這個(gè)過程是否能在與天文觀測(cè)一致的時(shí)間尺度上起作用。

研究人員相信，這項(xiàng)工作為建立一個(gè)理解宇宙中磁發(fā)生的新范式提供了第一步。

審核編輯：劉清