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在深空中增加磁场 只需摆动等离子体

与许多人认为的相反,外太空并非空虚。除了被称为等离子体的离子和电子的带电汤之外,空间还被具有各种强度的磁场渗透。天体物理学家一直想知道这些油田是如何产生,持续和放大的。现在,美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家已经证明等离子体湍流可能是负责任的,为等离子体天体物理学中最重要的未解决问题之一提供了可能的答案。

研究人员在普林斯顿计算科学与工程研究所(PICSciE)和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)使用功能强大的计算机来模拟湍流如何通过所谓的湍流强化磁场。发电机效应,磁场线扭曲和转动时磁场变强。“这项工作是第一次回答湍流能否将磁场放大到热的稀释等离子体中的动力强度的问题的重要一步,例如驻留在星系团内的等离子体,”天体物理学教授Matthew Kunz说。普林斯顿大学和该论文的作者,。

过去的研究主要集中在发电机上,因为它们可能发生在所谓的碰撞等离子体中,其中粒子共同表现为流体。但是星系间等离子体是无碰撞的,因此过去的实验并不一定相关。这项新研究旨在解决这一差距。“我们希望了解发电机在无碰撞状态下的表现,”PPPL等离子体物理普林斯顿项目的研究生,该论文的第一作者Denis St-Onge说。

St-Onge和Kunz专注于无碰撞等离子体中单个粒子的速度和磁场直接相关的方式。这种联系 - 如果一个数量增加或减少,另一个数量也必须 - 似乎排除了发电机的存在。“如果这是整个故事,那对发电机来说将是灾难性的,”St-Onge说。“为了匹配我们在太空中观察到的东西,发电机必须将种子磁场的强度提高至少一万亿,但是颗粒的能量也必须增加,并且没有足够的可用能量在发电机中发生这种情况。“

为了产生在太空中观察到的磁场强度,必须切断将粒子能量与磁性结合的连接。这正是St-Onge和Kunz在计算机模拟中观察到的:被称为镜像和火焰不稳定性的等离子体湍流类型导致等离子体粒子散射,并且散射打破了粒子能量和磁性之间的联系并允许磁场的振幅领域越来越接近自然界观察到的东西。

St-Onge指出,未来的研究将关注为什么会出现这种湍流散射。“此外,我们想研究粒子散射的细节,”St-Onge说。“不稳定性究竟导致粒子散射,散射多久发生一次,散射会导致磁场突然剧烈增长吗?最后一个想法是PPPL主任Steven Cowley多年前提出的观点。我们我想调查一下这是否属实。“

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