揭开最深刻的宇宙学之谜之一：宇宙如何获得它的“种子”磁场

通过研究等离子体湍流的动力学，麻省理工学院的研究人员正在帮助解决宇宙学磁场的起源之谜之一。宇宙学中最深刻的谜团之一是巨大的宇宙磁场的起源，尽管它相对较弱，却对宇宙的动态产生了巨大的影响。现在，新的研究可能最终发现了这些神秘的宇宙磁场起源的基本过程。

当我们凝视太空时，我们看到的所有天体物理学物体都被磁场所包围。不仅在恒星和行星附近是这样，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--但它们具有动态意义，因为它们对宇宙的动力学有着深刻的影响。尽管有几十年的强烈兴趣和研究，这些宇宙磁场的起源仍然是宇宙学中最基本的奥秘之一。

在以前的研究中，科学家们逐渐了解到湍流，即所有类型的流体所共有的搅动运动是如何通过所谓的发电机过程放大预先存在的磁场的。但这一非凡的发现只是将这个谜团推向了更深一步。如果湍流发电机只能放大现有的磁场，那么最先出现的"种子"磁场首先从何而来？

除非我们了解种子磁场是如何产生的，否则我们不会对天体物理磁场的起源有一个完整的、自洽的答案。麻省理工学院研究生Muni Zhou、她的导师Nuno Loureiro（麻省理工学院核科学与工程教授）以及普林斯顿大学和科罗拉多大学博尔德分校的同事所进行的新工作提供了一个答案，他们解释了产生磁场的基本过程，即从一个完全未磁化的状态到它强大到足以让动力机制接管并将磁场放大到我们观察到的程度。

磁场无处不在

自然发生的磁场在宇宙中随处可见。几千年前，人们首次在地球上观察到它们，通过它们与磁化矿物（如菱形石）的相互作用，并在人们对它们的性质或起源有任何了解之前，就被用于导航。太阳上的磁力是在20世纪初被发现的，因为它对太阳发出的光的光谱有影响。从那时起，更强大的望远镜在太空深处发现，这些磁场无处不在。

虽然科学家们早就学会了如何制造和使用永磁铁和电磁铁，它们有各种各样的实际应用，但宇宙中磁场的自然起源仍然是个谜。最近的工作已经提供了部分答案，但这个问题的许多方面仍在争论之中。

放大磁场--发电机效应

科学家们通过考虑在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。这些场，或电压，然后可以驱动电流。这就是我们每天使用的电是如何产生的。通过这种感应过程，大型发电机或"发电机"将机械能转换成电磁能，为我们的家庭和办公室提供动力。发电机的一个关键特征是，它们需要磁场才能工作。

但是在宇宙中，没有明显的电线或大的钢铁结构，那么磁场是如何产生的呢？这个问题的进展始于大约一个世纪前，当时科学家们正在思考地球磁场的来源。那时，对地震波传播的研究表明，在地幔较冷的表层以下，地球的大部分是液体，而且有一个由熔化的镍和铁组成的核心。研究人员推测，这种热的、导电的液体的对流运动和地球的旋转以某种方式结合起来，产生了地球的磁场。

最终，出现了一些模型，显示了对流运动如何能够放大现有的磁场。这是一个"自组织"的例子--在复杂的动态系统中经常看到的一个特征--大规模的结构从小规模的动态中自发地增长。但就像在发电站中，总是需要一个磁场来制造一个磁场。

一个类似的过程在整个宇宙中都在工作。然而，在恒星和星系以及它们之间的空间中，导电的液体不是熔融的金属，而是等离子体--一种存在于极高温度下的物质状态，其中电子被从其原子上扯下来。在地球上，等离子体可以在闪电或霓虹灯中看到。在这样的介质中，发电机效应可以放大现有的磁场，只要它从某种最低水平开始。

制造第一个磁场

这个种子场从哪里来？这就是5月5日发表在PNAS上的Zhou和她的同事们的最新的成果。Zhou开发了基础理论，并在强大的超级计算机上进行了数值模拟，显示出种子场是如何产生的，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是非常分散的--通常每立方米约有一个粒子。这与恒星内部的情况截然不同，那里的粒子密度要高30个数量级。低密度意味着宇宙学等离子体中的粒子从未发生碰撞，这对它们的行为有重要影响，这些影响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进行的计算跟踪了这些等离子体中的动力学，它们从有序的波发展而来，但随着振幅的增加和相互作用变得强烈的非线性而变成了湍流状。通过包括小尺度的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一样简单的通用大规模运动自发产生。就像地球上的例子一样，机械能被转换为磁能。

他们计算的一个重要输出是预期自发产生的磁场的振幅。这表明，磁场振幅可以从零上升到等离子体被"磁化"的水平--也就是说，等离子体的动力学受到磁场存在的强烈影响。在这一点上，传统的发电机机制可以接管，并将场提高到观察到的水平。因此，他们的工作代表了在宇宙学规模上产生磁场的一个自洽模型。

威斯康星大学麦迪逊分校的Ellen Zweibel教授指出，"尽管几十年来在宇宙学方面取得了显著的进展，但宇宙中磁场的起源仍然是未知的。看到最先进的等离子体物理理论和数值模拟被用于解决这一基本问题是非常美妙的"。

Zhou和他的同事们将继续完善他们的模型，并研究从种子场的产生到发电机的放大阶段的交接。他们未来研究的一个重要部分将是确定该过程是否能在与天文观测一致的时间尺度上工作。引用研究人员的话说："这项工作为建立一个理解宇宙中磁生成的新范式提供了第一步"。