宇宙是如何產生磁場的

當我們眺望太空時，我們看到的所有天體物理物體都嵌入在磁場中。不僅在恆星和行星附近，而且在星系和星系團之間的深空也是如此。這些磁場很弱——通常比冰箱磁鐵的磁場弱得多——但它們在動態上意義重大，因爲它們對宇宙的動力學產生了深遠的影響。儘管幾十年來的濃厚興趣和研究，這些宇宙磁場的起源仍然是宇宙學中最深刻的謎團之一。

在之前的研究中，科學家們開始瞭解湍流，即所有類型流體常見的攪動運動，如何通過所謂的發電機過程放大先前存在的磁場。但這一非凡的發現只是將這個謎團推得更深了。如果湍流發電機只能放大現有磁場，那麼“種子”磁場首先來自哪裡？

在我們瞭解種子場是如何產生的之前，我們不會對天體物理磁場的起源有一個完整且自洽的答案。麻省理工學院研究生 Muni Zhou、她的顧問、麻省理工學院核科學與工程教授 Nuno Loureiro 以及普林斯頓大學和科羅拉多大學博爾德分校的同事開展的新工作提供了一個答案，顯示了產生場的基本過程從完全未磁化的狀態到足以讓發電機機制接管並將磁場放大到我們觀察到的大小的程度。

磁場無處不在

在宇宙中隨處可見自然產生的磁場。數千年前，它們通過與磁石等磁化礦物的相互作用在地球上首次被觀察到，並且早在人們對其性質或起源有任何瞭解之前，它們就被用於導航。太陽的磁性是在 20 世紀初通過它對太陽發出的光譜的影響而被發現的。從那時起，更強大的望遠鏡深入太空，發現這些領域無處不在。

雖然科學家們早就學會了如何製造和使用具有各種實際應用的永磁體和電磁體，但宇宙中磁場的自然起源仍然是一個謎。最近的工作提供了部分答案，但這個問題的許多方面仍在爭論中。

放大磁場——發電機效應

科學家們通過考慮實驗室中產生電場和磁場的方式開始思考這個問題。當導體（如銅線）在磁場中移動時，會產生電場。然後這些場或電壓可以驅動電流。這就是我們每天使用的電力的產生方式。通過這個感應過程，大型發電機或“發電機”將機械能轉化爲電磁能，爲我們的家庭和辦公室供電。發電機的一個關鍵特徵是它們需要磁場才能工作。

但是在宇宙之外，沒有明顯的電線或大型鋼結構，那麼這些場是如何產生的呢？大約一個世紀前，當科學家們思考地球磁場的來源時，這個問題的進展就開始了。到那時，對地震波傳播的研究表明，在地幔較冷的表層之下，地球的大部分地區是液態的，並且有一個由熔融鎳和鐵組成的地核。研究人員推測，這種熱的導電液體的對流運動和地球的自轉以某種方式結合起來產生了地球磁場。

最終，出現了顯示對流運動如何放大現有場的模型。這是“自組織”的一個例子——在複雜的動力系統中經常看到的一個特徵——大尺度結構從小尺度動力學中自發地生長。但就像在發電站一樣，你需要一個磁場來產生磁場。

類似的過程在整個宇宙中都在起作用。然而，在恆星和星系以及它們之間的空間中，導電流體不是熔融金屬，而是等離子體——一種存在於極高溫度下的物質狀態，電子從它們的原子中脫離出來。在地球上，可以在閃電或霓虹燈中看到等離子體。在這樣的介質中，發電機效應可以放大現有磁場，前提是它從某個最低水平開始。

製造第一個磁場

這塊種子田是從哪裡來的？這就是 Zhou 和她的同事最近在 5 月 5 日在PNAS上發表的工作的用武之地。周發展了基礎理論並進行了數值模擬在強大的超級計算機上展示如何產生種子場以及哪些基本過程在起作用。存在於恆星和星系之間的等離子體的一個重要方面是它非常分散——通常約爲每立方米一個粒子。這與恆星內部的情況截然不同，恆星內部的粒子密度大約高出 30 個數量級。低密度意味着宇宙等離子體中的粒子永遠不會發生碰撞，這對它們的行爲具有重要影響，這些影響必須包含在這些研究人員正在開發的模型中。

麻省理工學院的研究人員進行的計算遵循了這些等離子體的動力學，這些等離子體由有序波發展而來，但隨着振幅的增加和相互作用變得強烈非線性而變得湍流。通過包括小尺度等離子體動力學對宏觀天體物理過程的詳細影響，他們證明了第一個磁場可以通過像剪切流這樣簡單的一般大規模運動自發產生。就像地球上的例子一樣，機械能被轉化爲磁能。

他們計算的一個重要輸出是預期自發產生的磁場的幅度。這表明場振幅可以從零上升到等離子體被“磁化”的水平——也就是說，等離子體動力學受到場存在的強烈影響。此時，傳統的發電機機制可以接管並將場提升到可觀察到的水平。因此，他們的工作代表了在宇宙尺度上產生磁場的自洽模型。

威斯康星大學麥迪遜分校的 Ellen Zweibel 教授指出：“儘管在宇宙學方面取得了數十年的顯着進步，但宇宙中磁場的起源仍然未知。看到最先進的等離子體物理理論和數值模擬真是太好了解決了這個基本問題。”

周和同事將繼續完善他們的模型，並研究從種子場生成到發電機放大階段的切換。他們未來研究的一個重要部分將是確定該過程是否可以在與天文觀測一致的時間尺度上工作。引用研究人員的話，“這項工作爲建立理解宇宙磁發生的新範式提供了第一步。”

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