無處不在的磁場

當我們望向深空，目光所及的所有天體都嵌入了磁場。不僅在恆星和行星的附近是這樣，而且在星系和星系團之間的深空同樣如此。這些磁場非常弱，通常比冰箱貼上的那種磁鐵弱得多，但它們格外重要，因爲它們對宇宙的動力學有着深刻的影響。

儘管科學家對此進行了數十年的研究，但這些宇宙磁場的起源仍然是宇宙學中最深刻的謎團之一。

在先前的研究中，科學家認識到湍流，也就是所有類型的流體所共有的攪動運動，是如何通過一種發電機過程放大預先存在的磁場的。但這個驚人的發現卻將這個謎團推向了更深一層，那就是，如果湍流發電機效應只能放大現有的磁場，那麼“種子”磁場最初又是從何而來呢？

想要獲得對天體物理磁場的起源有一套完整的、自洽的答案，我們就必須探尋這些磁場最初的起源。

近日，一組科學家進行的新研究提供了一種答案，顯示了宇宙產生磁場的基本過程，從一種完全未磁化的狀態，到磁場強大到足以讓發電機機制接管並放大到我們觀測到的程度。

磁場無處不在

自然出現的磁場在宇宙中隨處可見。

早在幾千年前，人們通過磁場與磁化礦物（比如天然磁石）的相互作用，就已經知道了它們的存在。甚至在我們的祖先對它們的性質或起源進行任何瞭解之前，磁場早已被用在導航等方面。

太陽的磁性在20世紀初被發現，因爲它會對太陽光譜產生影響。從那時起，更強大的望遠鏡在太空深處發現，這些磁場其實無處不在。

雖然科學家早就學會了如何製造並使用磁鐵和電磁鐵，它們在地球上已經有了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。

發電機效應

科學家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。當銅線這樣的導體在磁場中移動時，就會產生電場。這種場，或者說電壓，可以驅動電流。這就是我們每天使用的電是如何產生的。正是通過這種感應過程，發電機可以將機械能轉換成電磁能，爲我們的家庭和辦公室提供能源。

而發電機的一個關鍵特徵就是，它們需要磁場才能工作。但宇宙中並沒有明顯的“電線”或者那種巨大的鋼鐵結構，磁場要如何產生？

這個問題的進展始於大約一個世紀前，當時科學家正在思考地球磁場的來源。對地震波傳播的研究表明，在地幔溫度相對較低的表層之下，地球的大部分其實是液體，而且有一個由熔融的鎳和鐵構成的核。研究人員推測，這種熾熱的導電液體的對流運動，和地球的旋轉以某種方式結合在了一起，產生了地球的磁場。

星球發電機效應示意圖。圖中所繪的是古老的月球。（圖／Hernán Cañellas, MIT）

最終，一些模型顯示了對流運動如何能放大現有的磁場。這是一個自組織的例子，也就是在複雜的動態系統中經常看到的一種特徵，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，你需要一個磁場來製造一個磁場。

一種類似的過程遍佈整個宇宙。然而，在恆星和星系以及它們之間的太空中，導電的液體不是熔融的金屬，而是等離子體，那是一種存在於極高溫度下的物質狀態，電子從原子上被“扯”下來。在這樣的介質中，發電機效應可以放大現有的磁場，只要它從某個最低水平開始。

製造第一個磁場

那麼問題在於，這個最初的“種子場”是從哪裡來的？

在這項新研究中，科學家開發了一種基礎理論，並在強大的超級計算機上進行了數值模擬，顯示了種子場是如何產生的，以及存在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特點是，它非常分散，通常每立方米僅有約一個粒子。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。極低的密度意味着，宇宙等離子體中的粒子從未發生碰撞，這對它們的行爲有重要影響。

團隊的計算追蹤了這些等離子體中的動力學，它們從有序的波發展而來，但隨着振幅增加，相互作用變得極度非線性時，它們也變成了湍流。

研究通過詳細探索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，最終證明了最初的磁場可以通過像剪切流一樣通用大規模運動而自發產生。就像地球上的例子那樣，機械能會被轉化爲磁能。

第一原理數值模擬中未磁化的等離子體大規模運動產生的絲狀種子磁場的可視化圖像。（圖／MIT）

他們計算的一項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，等離子體動力學受到了場的存在的強烈影響。從這一刻起，傳統的發電機機制就能開始起作用，並將場提高到觀測到的水平。

因此，這項研究代表了在宇宙尺度上產生磁場的一個自洽模型。

理解宇宙磁發生的第一步

研究人員表示，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，是一種非常美妙的感覺。

團隊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是確定這個過程是否能在與天文觀測一致的時間尺度上起作用。

研究人員相信，這項工作爲建立一個理解宇宙中磁發生的新範式提供了第一步。

#創作團隊：

原文作者：Martin Greenwald（MIT Plasma Science and Fusion Center）

編譯：Takeko

排版：雯雯

#參考來源：

https://news.mit.edu/2022/how-universe-got-its-magnetic-field-0525

#圖片來源：

封面圖&首圖：MIT