通過研究等離子體湍流的動力學，麻省理工學院的研究人員正在幫助解決宇宙學磁場的起源之謎之一。宇宙學中最深刻的謎團之一是巨大的宇宙磁場的起源，儘管它相對較弱，卻對宇宙的動態產生了巨大的影響。現在，新的研究可能最終發現了這些神秘的宇宙磁場起源的基本過程。
當我們凝視太空時，我們看到的所有天體物理學物體都被磁場所包圍。不僅在恆星和行星附近是這樣，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–但它們具有動態意義，因為它們對宇宙的動力學有着深刻的影響。儘管有幾十年的強烈興趣和研究，這些宇宙磁場的起源仍然是宇宙學中最基本的奧秘之一。
在以前的研究中，科學家們逐漸了解到湍流，即所有類型的流體所共有的攪動運動是如何通過所謂的發電機過程放大預先存在的磁場的。但這一非凡的發現只是將這個謎團推向了更深一步。如果湍流發電機只能放大現有的磁場，那麼最先出現的”種子”磁場首先從何而來？
除非我們了解種子磁場是如何產生的，否則我們不會對天體物理磁場的起源有一個完整的、自洽的答案。麻省理工學院研究生Muni Zhou、她的導師Nuno Loureiro（麻省理工學院核科學與工程教授）以及普林斯頓大學和科羅拉多大學博爾德分校的同事所進行的新工作提供了一個答案，他們解釋了產生磁場的基本過程，即從一個完全未磁化的狀態到它強大到足以讓動力機制接管並將磁場放大到我們觀察到的程度。
磁場無處不在
自然發生的磁場在宇宙中隨處可見。幾千年前，人們首次在地球上觀察到它們，通過它們與磁化礦物（如菱形石）的相互作用，並在人們對它們的性質或起源有任何了解之前，就被用於導航。太陽上的磁力是在20世紀初被發現的，因為它對太陽發出的光的光譜有影響。從那時起，更強大的望遠鏡在太空深處發現，這些磁場無處不在。
雖然科學家們早就學會了如何製造和使用永磁鐵和電磁鐵，它們有各種各樣的實際應用，但宇宙中磁場的自然起源仍然是個謎。最近的工作已經提供了部分答案，但這個問題的許多方面仍在爭論之中。
放大磁場–發電機效應
科學家們通過考慮在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。這些場，或電壓，然後可以驅動電流。這就是我們每天使用的電是如何產生的。通過這種感應過程，大型發電機或”發電機”將機械能轉換成電磁能，為我們的家庭和辦公室提供動力。發電機的一個關鍵特徵是，它們需要磁場才能工作。
但是在宇宙中，沒有明顯的電線或大的鋼鐵結構，那麼磁場是如何產生的呢？這個問題的進展始於大約一個世紀前，當時科學家們正在思考地球磁場的來源。那時，對地震波傳播的研究表明，在地幔較冷的表層以下，地球的大部分是液體，而且有一個由熔化的鎳和鐵組成的核心。研究人員推測，這種熱的、導電的液體的對流運動和地球的旋轉以某種方式結合起來，產生了地球的磁場。
最終，出現了一些模型，顯示了對流運動如何能夠放大現有的磁場。這是一個”自組織”的例子–在複雜的動態系統中經常看到的一個特徵–大規模的結構從小規模的動態中自發地增長。但就像在發電站中，總是需要一個磁場來製造一個磁場。
一個類似的過程在整個宇宙中都在工作。然而，在恆星和星系以及它們之間的空間中，導電的液體不是熔融的金屬，而是等離子體–一種存在於極高溫度下的物質狀態，其中電子被從其原子上扯下來。在地球上，等離子體可以在閃電或霓虹燈中看到。在這樣的介質中，發電機效應可以放大現有的磁場，只要它從某種最低水平開始。
製造第一個磁場
這個種子場從哪裡來？這就是5月5日發表在PNAS上的Zhou和她的同事們的最新的成果。Zhou開發了基礎理論，並在強大的超級計算機上進行了數值模擬，顯示出種子場是如何產生的，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是非常分散的–通常每立方米約有一個粒子。這與恆星內部的情況截然不同，那裡的粒子密度要高30個數量級。低密度意味着宇宙學等離子體中的粒子從未發生碰撞，這對它們的行為有重要影響，這些影響必須包括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跟蹤了這些等離子體中的動力學，它們從有序的波發展而來，但隨着振幅的增加和相互作用變得強烈的非線性而變成了湍流狀。通過包括小尺度的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一樣簡單的通用大規模運動自發產生。就像地球上的例子一樣，機械能被轉換為磁能。
他們計算的一個重要輸出是預期自發產生的磁場的振幅。這表明，磁場振幅可以從零上升到等離子體被”磁化”的水平–也就是說，等離子體的動力學受到磁場存在的強烈影響。在這一點上，傳統的發電機機制可以接管，並將場提高到觀察到的水平。因此，他們的工作代表了在宇宙學規模上產生磁場的一個自洽模型。
威斯康星大學麥迪遜分校的Ellen Zweibel教授指出，”儘管幾十年來在宇宙學方面取得了顯著的進展，但宇宙中磁場的起源仍然是未知的。看到最先進的等離子體物理理論和數值模擬被用於解決這一基本問題是非常美妙的”。
Zhou和他的同事們將繼續完善他們的模型，並研究從種子場的產生到發電機的放大階段的交接。他們未來研究的一個重要部分將是確定該過程是否能在與天文觀測一致的時間尺度上工作。引用研究人員的話說：”這項工作為建立一個理解宇宙中磁生成的新範式提供了第一步”。