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如何通過一種發(fā)電機(jī)過程放大預(yù)先存在的磁場的

中科院半導(dǎo)體所 ? 來源:原理 ? 作者:Greenwald ? 2022-07-10 16:00 ? 次閱讀
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當(dāng)我們望向深空,目光所及的所有天體都嵌入了磁場。不僅在恒星和行星的附近是這樣,而且在星系和星系團(tuán)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?yàn)樗鼈儗τ钪娴膭恿W(xué)有著深刻的影響。

盡管科學(xué)家對此進(jìn)行了數(shù)十年的研究,但這些宇宙磁場的起源仍然是宇宙學(xué)中最深刻的謎團(tuán)之一。

在先前的研究中,科學(xué)家認(rèn)識到湍流,也就是所有類型的流體所共有的攪動運(yùn)動,是如何通過一種發(fā)電機(jī)過程放大預(yù)先存在的磁場的。但這個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)卻將這個(gè)謎團(tuán)推向了更深一層,那就是,如果湍流發(fā)電機(jī)效應(yīng)只能放大現(xiàn)有的磁場,那么“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(xué)家進(jìn)行的新研究提供了一種答案,顯示了宇宙產(chǎn)生磁場的基本過程,從一種完全未磁化的狀態(tài),到磁場強(qiáng)大到足以讓發(fā)電機(jī)機(jī)制接管并放大到我們觀測到的程度。

磁場無處不在

自然出現(xiàn)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(jīng)知道了它們的存在。甚至在我們的祖先對它們的性質(zhì)或起源進(jìn)行任何了解之前,磁場早已被用在導(dǎo)航等方面。

太陽的磁性在20世紀(jì)初被發(fā)現(xiàn),因?yàn)樗鼤μ柟庾V產(chǎn)生影響。從那時(shí)起,更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡在太空深處發(fā)現(xiàn),這些磁場其實(shí)無處不在。

雖然科學(xué)家早就學(xué)會了如何制造并使用磁鐵和電磁鐵,它們在地球上已經(jīng)有了各種各樣的實(shí)際應(yīng)用,但宇宙中磁場的自然起源仍然是個(gè)謎。

發(fā)電機(jī)效應(yīng)

科學(xué)家通過考慮在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生電場和磁場的方式開始思考這個(gè)問題。當(dāng)銅線這樣的導(dǎo)體在磁場中移動時(shí),就會產(chǎn)生電場。這種場,或者說電壓,可以驅(qū)動電流。這就是我們每天使用的電是如何產(chǎn)生的。正是通過這種感應(yīng)過程,發(fā)電機(jī)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電磁能,為我們的家庭和辦公室提供能源。

而發(fā)電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵特征就是,它們需要磁場才能工作。但宇宙中并沒有明顯的“電線”或者那種巨大的鋼鐵結(jié)構(gòu),磁場要如何產(chǎn)生?

這個(gè)問題的進(jìn)展始于大約一個(gè)世紀(jì)前,當(dāng)時(shí)科學(xué)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(shí)是液體,而且有一個(gè)由熔融的鎳和鐵構(gòu)成的核。研究人員推測,這種熾熱的導(dǎo)電液體的對流運(yùn)動,和地球的旋轉(zhuǎn)以某種方式結(jié)合在了一起,產(chǎn)生了地球的磁場。

星球發(fā)電機(jī)效應(yīng)示意圖。圖中所繪的是古老的月球。

最終,一些模型顯示了對流運(yùn)動如何能放大現(xiàn)有的磁場。這是一個(gè)自組織的例子,也就是在復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)中經(jīng)??吹降囊环N特征,大規(guī)模的結(jié)構(gòu)從小規(guī)模的動態(tài)中自發(fā)地增長。但就像在發(fā)電站中,你需要一個(gè)磁場來制造一個(gè)磁場。

一種類似的過程遍布整個(gè)宇宙。然而,在恒星和星系以及它們之間的太空中,導(dǎo)電的液體不是熔融的金屬,而是等離子體,那是一種存在于極高溫度下的物質(zhì)狀態(tài),電子從原子上被“扯”下來。在這樣的介質(zhì)中,發(fā)電機(jī)效應(yīng)可以放大現(xiàn)有的磁場,只要它從某個(gè)最低水平開始。

制造第一個(gè)磁場

那么問題在于,這個(gè)最初的“種子場”是從哪里來的?

在這項(xiàng)新研究中,科學(xué)家開發(fā)了一種基礎(chǔ)理論,并在強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了數(shù)值模擬,顯示了種子場是如何產(chǎn)生的,以及存在哪些基本過程在起作用。

存在于恒星和星系之間的等離子體的一個(gè)重要特點(diǎn)是,它非常分散,通常每立方米僅有約一個(gè)粒子。這與恒星內(nèi)部的情況截然不同,那里的粒子密度要高30個(gè)數(shù)量級。極低的密度意味著,宇宙等離子體中的粒子從未發(fā)生碰撞,這對它們的行為有重要影響。

團(tuán)隊(duì)的計(jì)算追蹤了這些等離子體中的動力學(xué),它們從有序的波發(fā)展而來,但隨著振幅增加,相互作用變得極度非線性時(shí),它們也變成了湍流。

研究通過詳細(xì)探索小尺度的等離子體動力學(xué)對宏觀天體物理過程的詳細(xì)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(guī)模運(yùn)動而自發(fā)產(chǎn)生。就像地球上的例子那樣,機(jī)械能會被轉(zhuǎn)化為磁能。

第一原理數(shù)值模擬中未磁化的等離子體大規(guī)模運(yùn)動產(chǎn)生的絲狀種子磁場的可視化圖像。

他們計(jì)算的一項(xiàng)重要輸出是預(yù)期自發(fā)產(chǎn)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(xué)受到了場的存在的強(qiáng)烈影響。從這一刻起,傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)機(jī)制就能開始起作用,并將場提高到觀測到的水平。

因此,這項(xiàng)研究代表了在宇宙尺度上產(chǎn)生磁場的一個(gè)自洽模型

理解宇宙磁發(fā)生的第一步

研究人員表示,盡管幾十年來在宇宙學(xué)方面取得了顯著的進(jìn)展,但宇宙中磁場的起源仍然是未知的。看到最先進(jìn)的等離子體物理理論和數(shù)值模擬被用于解決這一基本問題,是一種非常美妙的感覺。

團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)完善他們的模型,并研究從種子場的產(chǎn)生,到發(fā)電機(jī)的放大階段的“交接”。他們未來研究的一個(gè)重要部分是確定這個(gè)過程是否能在與天文觀測一致的時(shí)間尺度上起作用。

研究人員相信,這項(xiàng)工作為建立一個(gè)理解宇宙中磁發(fā)生的新范式提供了第一步。



審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:無處不在的磁場

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