宇宙是如何产生磁场的

第一性原理数值模拟中未磁化等离子体大规模运动产生的丝状种子磁场的可视化。图片来源：Muni Zhou 等

当我们眺望太空时，我们看到的所有天体物理物体都嵌入在磁场中。不仅在恒星和行星附近，而且在星系和星系团之间的深空也是如此。这些磁场很弱——通常比冰箱磁铁的磁场弱得多——但它们在动态上意义重大，因为它们对宇宙的动力学产生了深远的影响。尽管几十年来的浓厚兴趣和研究，这些宇宙磁场的起源仍然是宇宙学中最深刻的谜团之一。

在之前的研究中，科学家们开始了解湍流，即所有类型流体常见的搅动运动，如何通过所谓的发电机过程放大先前存在的磁场。但这一非凡的发现只是将这个谜团推得更深了。如果湍流发电机只能放大现有磁场，那么“种子”磁场首先来自哪里？

在我们了解种子场是如何产生的之前，我们不会对天体物理磁场的起源有一个完整且自洽的答案。麻省理工学院研究生 Muni Zhou、她的顾问、麻省理工学院核科学与工程教授 Nuno Loureiro 以及普林斯顿大学和科罗拉多大学博尔德分校的同事开展的新工作提供了一个答案，显示了产生场的基本过程从完全未磁化的状态到足以让发电机机制接管并将磁场放大到我们观察到的大小的程度。

磁场无处不在

在宇宙中随处可见自然产生的磁场。数千年前，它们通过与磁石等磁化矿物的相互作用在地球上首次被观察到，并且早在人们对其性质或起源有任何了解之前，它们就被用于导航。太阳的磁性是在 20 世纪初通过它对太阳发出的光谱的影响而被发现的。从那时起，更强大的望远镜深入太空，发现这些领域无处不在。

虽然科学家们早就学会了如何制造和使用具有各种实际应用的永磁体和电磁体，但宇宙中磁场的自然起源仍然是一个谜。最近的工作提供了部分答案，但这个问题的许多方面仍在争论中。

放大磁场——发电机效应

科学家们通过考虑实验室中产生电场和磁场的方式开始思考这个问题。当导体（如铜线）在磁场中移动时，会产生电场。然后这些场或电压可以驱动电流。这就是我们每天使用的电力的产生方式。通过这个感应过程，大型发电机或“发电机”将机械能转化为电磁能，为我们的家庭和办公室供电。发电机的一个关键特征是它们需要磁场才能工作。

但是在宇宙之外，没有明显的电线或大型钢结构，那么这些场是如何产生的呢？大约一个世纪前，当科学家们思考地球磁场的来源时，这个问题的进展就开始了。到那时，对地震波传播的研究表明，在地幔较冷的表层之下，地球的大部分地区是液态的，并且有一个由熔融镍和铁组成的地核。研究人员推测，这种热的导电液体的对流运动和地球的自转以某种方式结合起来产生了地球磁场。

最终，出现了显示对流运动如何放大现有场的模型。这是“自组织”的一个例子——在复杂的动力系统中经常看到的一个特征——大尺度结构从小尺度动力学中自发地生长。但就像在发电站一样，你需要一个磁场来产生磁场。

类似的过程在整个宇宙中都在起作用。然而，在恒星和星系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——一种存在于极高温度下的物质状态，电子从它们的原子中脱离出来。在地球上，可以在闪电或霓虹灯中看到等离子体。在这样的介质中，发电机效应可以放大现有磁场，前提是它从某个最低水平开始。

制造第一个磁场

这块种子田是从哪里来的？这就是 Zhou 和她的同事最近在 5 月 5 日在PNAS上发表的工作的用武之地。周发展了基础理论并进行了数值模拟在强大的超级计算机上展示如何产生种子场以及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方面是它非常分散——通常约为每立方米一个粒子。这与恒星内部的情况截然不同，恒星内部的粒子密度大约高出 30 个数量级。低密度意味着宇宙等离子体中的粒子永远不会发生碰撞，这对它们的行为具有重要影响，这些影响必须包含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进行的计算遵循了这些等离子体的动力学，这些等离子体由有序波发展而来，但随着振幅的增加和相互作用变得强烈非线性而变得湍流。通过包括小尺度等离子体动力学对宏观天体物理过程的详细影响，他们证明了第一个磁场可以通过像剪切流这样简单的一般大规模运动自发产生。就像地球上的例子一样，机械能被转化为磁能。

他们计算的一个重要输出是预期自发产生的磁场的幅度。这表明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场存在的强烈影响。此时，传统的发电机机制可以接管并将场提升到可观察到的水平。因此，他们的工作代表了在宇宙尺度上产生磁场的自洽模型。

威斯康星大学麦迪逊分校的 Ellen Zweibel 教授指出：“尽管在宇宙学方面取得了数十年的显着进步，但宇宙中磁场的起源仍然未知。看到最先进的等离子体物理理论和数值模拟真是太好了解决了这个基本问题。”

周和同事将继续完善他们的模型，并研究从种子场生成到发电机放大阶段的切换。他们未来研究的一个重要部分将是确定该过程是否可以在与天文观测一致的时间尺度上工作。引用研究人员的话，“这项工作为建立理解宇宙磁发生的新范式提供了第一步。”

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