激光实验验证了“湍流发电机”理论

时间：2021-07-27 18:52:06 来源：

在Mira超级计算机上执行的实验平台的三维FLASH仿真。显示的是气流碰撞前模拟磁场的渲染。由Flash计算科学中心提供

宇宙具有高度的磁性，从恒星到行星再到星系，所有东西都会产生自己的磁场。天体物理学家一直对这些令人惊讶的强大和长期存在的领域感到困惑，他们通过理论和模拟来寻找一种解释其产生的机理。

由芝加哥大学的科学家领导的一个团队使用世界上最强大的激光设备，通过实验确定了一种最流行的产生宇宙磁场的理论：湍流发电机。研究人员通过产生一个一分钱大小的热湍流等离子体，持续了十分之几秒的时间，记录了湍流运动如何将弱磁场放大到在我们的太阳，遥远的恒星和星系中观察到的强度。

该论文于本周在《自然通讯》上发表，是该理论的首次实验室演示，它解释了近一个世纪以来物理学家争论的众多宇宙物体的磁场。研究人员使用由UChicago的计算科学Flash中心开发的FLASH物理模拟代码，设计了在纽约州罗切斯特的OMEGA激光工厂进行的实验，以重现湍流的发电机状况。

经过数十年的数值模拟，实验表明，湍流等离子体可以极大地增强弱磁场，使其达到恒星和星系中天文学家所观察到的大小。

天文学与天体物理学研究助理教授，闪光中心副主任彼得斯·泽费拉科斯（Petros Tzeferacos）说：“我们现在确定湍流发电机存在，并且它实际上是可以解释宇宙磁化的机制之一。”“这是我们希望我们知道的，但现在我们知道了。”

机械发电机通过在磁场中旋转线圈来产生电流。在天体物理学中，发电机理论提出了相反的观点：导电流体的运动产生并维持磁场。在20世纪初期，物理学家约瑟夫·拉莫尔（Joseph Larmor）提出了这样一种机制可以解释地球和太阳的磁性，激发了数十年来的科学辩论和探究。

尽管数值模拟表明湍流等离子体可以产生与在恒星，行星和星系中观察到的磁场大小相同的磁场，但在实验室中创建湍流发电机要困难得多。要确认这一理论，就需要在极高的温度和挥发性下产生等离子体，以产生足够的湍流来折叠，拉伸和放大磁场。

为了设计创造这些条件的实验，美国芝加哥大学和牛津大学的Tzeferacos及其同事在阿贡国家实验室的Mira超级计算机上用FLASH进行了数百个二维和三维模拟。最终的设置包括用强大的激光喷射两便士大小的箔片，将两束等离子体射流穿过网格并相互碰撞，从而产生湍流。

罗伯特·A·密立根天文学与天体物理学荣誉服务教授，美国天文学家主任唐纳德·兰姆（Donald Lamb）说：“人们长期以来一直梦想用激光进行这项实验，但这确实需要这个团队的才能才能实现。” Flash中心。“这是一个巨大的突破。”

该团队还使用FLASH模拟技术开发了两种独立的方法来测量等离子体产生的磁场：质子射线照相法（FLASH小组最近发表的论文的主题）和偏振光，这取决于天文学家如何测量远处物体的磁场。两项测量都跟踪了从弱的初始状态到超过100千高斯的仅几纳秒磁场的增长，这比高分辨率的MRI扫描仪要强，比地球的磁场要强一百万倍。

大学的天文学和天体物理学教授Fausto Cattaneo说：“这项工作为验证关于宇宙中磁场起源的实验性思想和概念提供了机会，这些思想和概念是在一个世纪的上半叶提出并在理论上进行研究的。”芝加哥的作者，也是该论文的合著者。

现在可以在实验室中创建湍流发电机了，科学家们可以探索有关其功能的更深层次的问题：磁场强度增加的速度有多快？场能达到多强？磁场如何改变放大它的湍流？

兰姆说：“拥有完善的理论是一回事，而在受控的实验室环境中进行实际演示则是另一回事，在实验室中，您可以对正在发生的一切进行各种测量。”“现在我们可以做到，我们可以戳它并对其进行探测。”

出版物：P. Tzeferacos等人，“湍流等离子体中磁场的发电机动态放大的实验室证据”，《自然通讯》第9卷，文章编号：591（2018）doi：10.1038 / s41467-018-02953-2

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