当我们看着空间时，我们看到的所有天体物理物体都嵌入到磁场中。这不仅在恒星和行星附近，而且在深空中也是如此
当我们看着空间时，我们看到的所有天体物理物体都嵌入到磁场中。这不仅在恒星和行星附近，而且在星系和银河系簇之间的深空中也是如此。这些田地很弱 – 通常比冰箱磁铁弱弱得多，但是它们具有动态意义，因为它们对宇宙的动力学产生了深远的影响。尽管有数十年的激烈兴趣和研究，但这些宇宙磁场的起源仍然是宇宙学中最深刻的奥秘之一。
在先前的研究中，科学家们了解了湍流（各种类型流体的流动运动）如何通过所谓的发电机过程扩大磁场。但是，这一非凡的发现刚刚推动了一个谜，更深入了。如果湍流的发电机只能放大现有场，那么“种子”磁场首先来自哪里？
在我们了解种子场的出现之前，我们不会对天体物理磁场的起源有完整且自以为是的答案。 MIT研究生Muni Zhou进行的新作品，她的顾问Nuno Loureiro，麻省理工学院的核科学与工程学教授，普林斯顿大学和科罗拉多大学Boulder大学的同事提供了一个答案，该答案显示了一个基本流程，这些过程产生了一个领域从完全不磁的状态到足够强的程度，以使发电机机制接管并将场扩增到我们观察到的幅度。
磁场无处不在
自然发生的磁场在宇宙中无处不在。它们是数千年前在地球上首先通过与洛德斯通（Lodestone）等磁性矿物的互动而观察到的，并在人们对自己的性质或起源有任何了解之前就用于导航。在20世纪初，它对太阳发出的光谱的影响发现了阳光的磁性。从那时起，更强大的望远镜深入探究空间，发现田地无处不在。尽管科学家长期以来一直学会了如何制作和使用永久磁铁和电磁体，而这些磁铁和电磁体具有各种实际应用，但宇宙中磁场的自然起源是仍然是一个谜。最近的工作提供了答案的一部分，但是这个问题的许多方面仍在辩论中。
放大磁场 – 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，开始考虑这个问题。当导体（例如铜线）在磁场中移动时，会创建电场。这些磁场或电压可以驱动电流。这就是我们每天使用的电力的方式。通过这种诱导过程，大发电机或“发电机”将机械能转换为电磁能，从而为我们的房屋和办公室提供动力。发电机的一个关键特征是他们需要磁场才能工作。
但是在宇宙中，没有明显的电线或大钢结构，那么田地如何出现？大约一个世纪前，当科学家思考地球磁场的来源时，这个问题的进展始于大约一个世纪。到那时，对地震波的传播的研究表明，地球表面较冷的地面层以下的大部分地区都是液体，并且有一个由熔融镍和铁组成的核心。研究人员认为，这种热，导电液体的对流运动和地球的旋转以某种方式结合起来产生地球场。最终，出现了模型，显示了对流运动如何扩大现有场。这是“自组织”（通常在复杂的动力系统中看到的特征）的一个例子，其中大规模结构从小规模的动力学自发生长。但是，就像在电站中一样，您需要一个磁场来制造磁场。
整个宇宙都有类似的过程。然而，在恒星和星系中以及它们之间的空间中，导电流体不是熔融金属，而是等离子体 – 在极高的温度下存在电子从原子中撕下的物质状态。在地球上，可以在闪电或霓虹灯中看到等离子体。在这种介质中，发电机效应可以放大现有的磁场，前提是它从一定的水平开始。
制作第一个磁场
这个种子领域从哪里来？这就是5月5日在PNA上出版的周和她的同事最近的工作。恒星和星系之间存在的等离子体的一个重要方面是，它是非常分散的 – 通常每立方米一个粒子。这与恒星内部非常不同，恒星的内部粒子密度高约30个数量级。低密度意味着宇宙学等离子体中的颗粒永远不会发生冲突，这对它们的行为具有重要的影响，这些行为必须包括在这些研究人员正在开发的模型中。麻省理工学院的研究人员遵循这些等离子体中的动态，从顺序排序的波浪，但随着振幅的增长和相互作用的强烈非线性而变得动荡。通过在宏观天体物理过程中包含血浆动力学的详细影响，他们证明了第一个磁场可以通过像剪切流一样简单的通用大规模运动来自发产生。就像陆地示例一样，机械能也转化为磁能。
他们计算的重要输出是预期自发产生的磁场的幅度。这表明该场幅度可能从零上升到等离子体“磁化”的水平，即等离子体动力学受到场的存在强烈影响。在这一点上，传统的发电机机制可以接管并将磁场提升到观察到的水平。因此，他们的工作代表了宇宙学规模上产生磁场的自洽模型。威斯康星大学的麦迪逊大学的专业专家艾伦·兹韦贝尔（Ellen Zweibel未知。很高兴看到最新的等离子体物理理论和在这个基本问题上带来的数值模拟。”
周和同事将继续完善其模型，并研究从种子场的产生到发电机的放大阶段的交接。他们未来的研究的重要部分是确定该过程是否可以在时间尺度上与天文观测一致。为了引用研究人员的话，“这项工作为了解宇宙中磁化的新范式提供了第一步。”
这项工作是由国家科学基金会职业奖和NASA Earth and Space Science Technology（Finsest）Grant的未来调查员资助的。
在麻省理工学院新闻的允许下重新发布。阅读原始文章。
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