當我們向太空望去時，我們看到的所有物體都嵌入了磁場。這不僅在恒星和行星附近如此，在星系和星系團之間的深空中也是如此。這些磁場非常弱，通常比冰箱還弱。粘附的磁鐵要弱得多，但它們非常重要，因為它們對宇宙的動力學有著深遠的影響。
盡管經過數十年的研究，這些宇宙磁場的起源仍然是宇宙學中最深奧的謎團之一。
在之前的研究中，科學家們了解到湍流（所有類型的流體中常見的攪動運動）如何通過發電機過程放大預先存在的磁場。但這一令人驚訝的發現進一步揭開了謎團。更深入地說磁場的基本性質，如果湍流發電機效應只能放大現有磁場，那么“種子”磁場首先來自哪里？
為了獲得天體物理磁場起源的完整且自洽的答案，我們必須探索這些磁場的最初起源。
一組科學家的新研究給出了答案，展示了宇宙產生磁場的基本過程，從完全非磁化狀態到磁場變得足夠強以至于發電機機制可以接管并放大我們觀察到的磁場。
磁場無處不在
宇宙中隨處可見自然產生的磁場。
數千年來，人類通過磁場與磁化礦物（如天然磁石）的相互作用而了解磁場。甚至在我們的祖先對其性質或起源有任何了解之前，磁場就被用于導航等方面。
20 世紀初，人們因其對太陽光譜的影響而發現了太陽磁性，此后，深空更強大的望遠鏡發現這些磁場無處不在。
盡管科學家早就學會了如何制造和使用磁鐵和電磁鐵，它們在地球上有各種實際應用，但宇宙中磁場的自然起源仍然是一個謎。
發電機效應
科學家們開始思考這個問題，他們首先考慮的是實驗室中電場和磁場的產生方式。當導體（例如銅線）穿過磁場時，就會產生電場。這個場或電壓可以驅動電流。這就是我們每天都能看到的。我們使用的電是如何產生的。正是通過這種感應過程網校頭條，發電機可以將機械能轉化為電磁能，為我們的家庭和辦公室供電。
發電機的一個關鍵特性是需要磁場才能工作。但宇宙中沒有明顯的“電線”或巨大的鋼結構，那么磁場是如何產生的呢？
這個問題的進展始于大約一個世紀前，當時科學家們對地球磁場的起源感到疑惑。對地震波傳播的研究表明，在相對較冷的地幔表面之下，地球的大部分實際上是液體，并且具有由熔融的鎳和鐵組成的磁場。地核由熔融的鎳和鐵組成。研究人員推測，這種熱的導電液體的對流運動與地球的自轉相結合，以某種方式產生了地球磁場。
行星發電機效應示意圖。圖為古代月球。（圖片/Hernán Ca?ellas，麻省理工學院）
最后，一些模型展示了對流運動如何放大現有的磁場。這是自組織的例子，這種特征經常出現在復雜的動態系統中，其中大規模結構自發地從小規模動態中出現。但就像在發電站一樣，你需要一個磁場來創造磁場。
整個宇宙中都發生著類似的過程。然而，在恒星和星系以及它們之間的空間中，導電的流體不是熔融的金屬，而是等離子體，一種在極高溫度下存在的物質狀態。電子從原子中“撕裂”出來。在這樣的介質中，發電機效應可以放大現有的磁場，只要它從某個最小水平開始。
創建第一個磁場
那么問題來了，這最初的“種子田”從何而來？
在新的研究中，科學家們開發了一種基礎理論，并在強大的超級計算機上進行了數值模擬，展示了種子場是如何產生的，以及其中的基本過程是什么。
恒星和星系間等離子體的一個重要特征是極其彌散，通常每立方米僅包含約一個粒子。這與恒星內部的條件形成鮮明對比，恒星內部的粒子密度高出 30 個數量級。低密度意味著宇宙等離子體中的粒子永遠不會發生碰撞，這對它們的行為有重要影響。
研究小組的計算追蹤了這些等離子體的動態，這些等離子體由有序波發展而來，但隨著振幅的增加和相互作用變得極其非線性，它們也會變得湍流。
通過詳細探索小尺度等離子體動力學對宏觀天體物理過程的影響，研究最終證明初始磁場可以由類似剪切流的普遍大尺度運動自發產生，并轉化為磁能。
第一原理數值模擬中非磁化等離子體大規模運動產生的絲狀種子磁場的可視化。（圖片/麻省理工學院）
他們計算的一個重要結果是預期自發產生的磁場振幅。這表明，磁場振幅可以從零升高到等離子體被“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。從這一刻起，傳統的發電機機制就可以發揮作用，將磁場提升到觀察到的水平。
因此，這項研究代表了宇宙尺度磁場產生的自洽模型。
了解宇宙磁成因的第一步
“盡管宇宙學領域幾十年來取得了顯著進展，但宇宙磁場的起源仍是一個謎，”研究人員表示，“看到最先進的等離子體物理理論和數值模擬被用于解決這一基本問題，令人興奮不已。”這是一種非常美妙的感覺。
研究團隊將繼續完善他們的模型，研究從種子場的創建到發生器的放大階段的“交接”，他們未來研究的一個重要部分將是確定這個過程是否能在與天文觀測一致的時間尺度上產生影響。
研究人員認為磁場的基本性質，這項工作為建立理解宇宙磁力形成的新范式邁出了第一步。
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原作者：（麻省理工學院和）
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