終於解決了關於行星和恆星磁性的宇宙爭論

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】宇宙具有很強的磁性，從恆星到行星，再到星系，都有自己的磁場。長期以來天體物理學家一直對這些令人驚訝的強大和長壽的領域感到困惑，理論和模擬都在尋找解釋他們這一代人的機制。利用世界上最強大的激光設備之一，由芝加哥大學的科學家們領導的研究小組通過實驗證實了宇宙磁場產生的最流行的理論之一：湍流發電機。研究人員通過製造一種能持續幾十億分之一秒的熱湍流等離子體，記錄了湍流運動如何將弱磁場放大到太陽、遙遠恆星和星系中觀測到的強度。本周發表在《Nature Communications》上的這篇論文是對一個理論的首次實驗室演示，解釋了無數宇宙天體的磁場，物理學家爭論了近一個世紀。

在阿爾貢國家實驗室的Mira超級計算機上進行了三維輻射磁水動力學模擬實驗。這些數值表明湍流發電機對種子磁場有很強的放大作用。圖片版權：Petros Tzeferacos/University of Chicago

在UChicago的計算科學的FLASH中心開發的FLASH物理模擬代碼中，研究人員設計了一個在紐約羅徹斯特的OMEGA激光設備上進行的實驗，以再現湍流的發電機條件。經過幾十年的數值模擬，實驗表明湍流的等離子體可以極大地增強弱磁場，達到天文學家觀測到的恆星和星系的強度。研究助理教授、閃電中心副主任Petros Tzeferacos說：湍流發電機確實存在，而且它是能夠解釋宇宙磁化的機制之一，這是我們希望我們知道的事情，但現在終於知道了。機械發電機通過磁場旋轉線圈產生電流。在天體物理學中，發電機理論提出了相反的觀點:電傳導流體的運動創造並維持了磁場。在20世紀早期物理學家約瑟夫·拉莫爾提出，這種機制可以解釋地球和太陽的磁性，激發了數十年的科學辯論和探索。

雖然數值模擬表明湍流等離子體可以在恆星、行星和星系的範圍內產生磁場，但在實驗室中製造出湍流的發電機則要困難得多。證實這一理論需要在極高的溫度和溫度下產生等離子體，從而產生足夠的湍流來摺疊、拉伸和放大磁場。為了設計一個能創造這些條件的實驗，位於芝加哥大學和牛津大學的Tzeferacos和他的同事們在Argonne國家實驗室的Mira超級計算機上進行了數百次的三維模擬。最後的裝置包括用強大的激光發射兩枚大小不一的箔片，通過柵格將兩束等離子體推進，並相互碰撞，形成湍流的流體運動。

唐納德·拉姆說：人們夢想用激光做這個實驗已經很長時間了，但這確實需要這個團隊的聰明才智來實現這一目標（他是羅伯特·a·米恩坎(Robert a . Millikan)傑出服務教授，他是天文學和天體物理學的榮譽退休教授，也是Flash中心的主任）這是一個巨大的突破。研究小組還使用了FLASH模擬技術，開發了兩種獨立的方法來測量等離子體產生的磁場:質子射線照相法，這是最近一篇來自閃光組和偏振光的論文的主題，基於天文學家如何測量遠距離物體的磁場。這兩項測量都記錄了磁場從微弱的初始狀態到超過100千高斯(比高解析度的核磁共振掃描儀更強，比地球磁場強一百萬倍)的增長。

芝加哥大學的天文學和天體物理學教授,論文的合著者Fausto說：這項工作打開了機會來驗證實驗想法和概念對磁場的起源提出了宇宙中，理論上研究了大半個世紀。現在，科學家們可以在實驗室里製造出一種湍流的發電機。科學家們可以探索其功能的更深層次的問題：磁場的強度有多快地增加？這個領域能有多強?磁場如何改變放大它的湍流？擁有完善的理論是一回事，但在一個可控的實驗室環境中可以對正在發生的事情進行各種各樣的測量，這是另一回事。既然我們能做到這一點就可以去探測它。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Nature Communications

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：芝加哥大學

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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