宇宙中的磁场如何产生和放大的呢？湍流可以把小尺度的磁场放大和延展吗？

我们的宇宙磁场无处不在，影响星系、星团、星际介质、行星和太阳的结构和进化。但是这些磁场是如何产生和放大的呢？这是一个非常有趣和重要的问题，也是一个非常困难和复杂的问题。在本文中，我将向您介绍*新的研究，它使用数值模拟来研究可能的磁场生成和放大机制：湍流。

什么是湍流

湍流是一种非常常见的现象，你可以在日常生活中很容易地观察到它。例如，当你打开水龙头时，水流开始变得不规则和混乱，即湍流。当你开车或飞机时，空气流也会变成湍流。当你看天空时，云的形状也是由湍流引起的。

湍流的特点是它包含了许多不同尺度和速度的涡旋。这些涡旋相互作用，传递能量和动量。我们可以用一个参数来描述湍流的强度:雷诺数。雷诺数是惯性力和粘性力之比，反映了流体运动中涡旋的数量和大小。雷诺数越大，涡旋越大，湍流越强。

碰撞与等离子体无关

等离子体是由带电颗粒（电子和离子）组成的气体。等离子体是宇宙中常见的物质形式之一，如恒星、星际介质、星组介质等。

碰撞无关等离子体是一种特殊的等离子体，其特点是带电粒子之间的碰撞很少发生，因为它们之间的距离很大。相反，带电粒子主要通过电磁场相互作用。在太阳风、地球磁层、行星介质、脉冲星风、相对论性喷流等地方也可以找到碰撞无关等离子体。

湍流如何产生磁场？

在与等离子体无关的碰撞中，湍流可以由不同的原因引起。例如，当两个等离子体云相互碰撞时，就会产生湍流。当引力导致星系或星团形成时，也会产生湍流。当恒星或黑洞喷出高速粒子束时，也会产生湍流。

湍流能产生磁场吗？答案是肯定的。在碰撞无关等离子体中，有一种叫做Weibel不稳定性的不稳定性，它可以将动能转化为磁能。Weibel的不稳定性发生在两个相对运动的等离子体之间，导致带电粒子在相对速度方向垂直产生温度梯度。这样，带电粒子就会形成一些带状结构，产生磁场。这种磁场的强度与相对速度有关。一般来说，相对速度越大，磁场越强。

然而，这种磁场只是局部的，其规模非常小，相当于带状结构的规模。如果我们想产生大磁场，我们需要一种放大和扩展小磁场的机制，这是湍流。

湍流能放大和延伸小尺度的磁场吗？答案也是肯定的。在碰撞无关等离子体中，有一个过程叫做湍流发电机，它可以将湍流动能转化为磁能。湍流发电机的原理是，湍流中的涡旋会扭曲和拉伸小尺度的磁场线，从而增加磁场的强度和尺度。在磁场达到与湍流动能相当的水平之前，这一过程将继续下去。这时，我们说磁场已经接近平衡。

模拟结果

科学家们使用了一种叫做粒子电磁波的数值模拟方法来模拟与碰撞无关的等离子体中的湍流和磁场。他们首先给等离子体施加初始相对速度，以刺激Weibel的不稳定性，并产生初始的小磁场。然后，他们给等离子体施加周期性的干扰来模拟湍流，并观察磁场随时间变化。

模拟中有两个阶段：一个是动力学阶段，另一个是饱和阶段。在动力学阶段，磁场随时间指数增加，增长率与湍流速度有关。磁场在饱和阶段接近平衡，并停止增长。在这个阶段，磁场主要通过重联消耗能量。重新连接是一个打断和重新连接交错磁场线的过程，从而释放能量和加速粒子。在模拟中，重联主要发生在一些链状结构中。磁场谱也在饱和阶段稳定，并呈现出一定的特征波数。

他们还发现模拟中有两个重要的参数：马赫数和等离子体参数。马赫数是湍流速度与声速之比，反映了湍流强度。等离子体参数是德拜的长度（Debye length）与粒子间距相比，它反映了等离子体的稀薄程度。它们发现湍流发电机在不同的马赫数和等离子体参数下具有不同的效率和特性。