磁場遍布宇宙，從行星、恆星到整個星系無所不在。這些無形的力影響著太陽風暴、高能粒子運動，甚至星系形成等重大的宇宙事件與過程。儘管小型磁場常呈現混亂且湍流的狀態，但規模更大的磁結構卻顯得異常有組織。數十年來，科學家一直努力解釋，為何宇宙中的無序狀態能產生如此大規模的有序結構。
現在，由威斯康辛大學麥迪遜分校的科學家領導的研究團隊，認為他們可能找到了解開這個謎團的關鍵。
在一項發表於《自然》期刊的新研究中，該團隊利用極其精細的電腦模擬來研究電漿流動。他們的結果顯示，當湍流電漿發展出有組織的噴流式流動時，就能產生大規模磁場。這項發現為宇宙磁場的形成提供了新的解釋，並有助於科學家更深入地理解從黑洞形成到地球附近太空天氣等各種現象。
研究的主要作者、曾任威斯康辛大學麥迪遜分校物理學研究生、現任哥倫比亞大學博士後研究員的 Bindesh Tripathi 表示：「宇宙中的磁場規模龐大且有序，但我們對這些磁場如何產生的理解是來自某種湍流運動。鑑於湍流已知是破壞性的因素，問題依然存在，它如何創造出一個建設性、大規模的磁場？」
在探究三維（3D）磁場之前，Tripathi 曾研究過涉及流體流動和二維（2D）磁場的系統。在觀察 3D 磁場湍流的圖像和影片時，他注意到大規模磁結構的形狀與大規模流動的形狀相似。
然而，將流體動力學直接應用於磁場並不容易。流體流動問題通常可以簡化為二維來處理，但磁場的產生必須在完整的 3D 空間中求解，這使得計算更加困難。
為了應對這個挑戰，研究人員改變了先前研究的兩個重要方面。
第一項是為模擬加入一個持續更新的速度梯度。當系統的不同部分以不同速度移動時，就會發生速度梯度。例如，騎自行車的人突然撞上路緣時，自行車停止但騎士的動量繼續向前，這時就會經歷一個急劇的速度梯度。類似的效應在宇宙中普遍存在，包括太陽內部和中子星合併時。
大規模超級電腦模擬揭示模式
第二個主要步驟是計算能力。研究人員進行了可能是迄今為止最詳細的磁場與不穩定速度梯度相互作用的模擬。他們的模型使用了 3D 空間中的 1370 億個網格點。
總計，該團隊進行了約 90 次模擬，產生了 0.25 PB 的數據，並在普渡大學的 Anvil超級電腦上消耗了近 1 億個 CPU 小時。
Tripathi 說：「我們從一個具有速度梯度的流動開始模擬，然後加入一些微小的擾動，例如將一個流體粒子無限小地移動，讓該擾動在系統中傳播並增長，然後隨時間分析數據。最初，這些擾動會在小尺度結構中產生湍流和磁場，然後，隨著時間的推移，它們會演變成更大、更有序的結構。」
當研究人員重複模擬，但不維持大規模速度梯度時，有序的磁結構從未形成。取而代之的是，系統保持混亂和無序。
他強調：「所以這確實是關鍵：擁有一個穩定、大規模的速度梯度。」
解決長期存在的磁場問題
科學家們研究磁場發電機（產生磁場的過程）已有約 70 年。然而，大多數理論模型都難以產生天文學家在太空中實際觀測到的大規模、有序磁結構。
研究的資深作者、威斯康辛大學麥迪遜分校物理學教授 Paul Terry 補充說：「磁場通過發電機產生已被廣泛研究了 70 年，但令人沮喪的結果是，產生的磁場幾乎總是停留在小尺度且高度無序，這與觀測結果不符。因此，這項工作有可能解決一個長期存在的問題。」
雖然新的理論無法直接在遙遠的宇宙環境中進行測試，但早期的實驗室實驗似乎支持了這些發現。2012 年，威斯康辛電漿物理實驗室的研究人員觀察到了一種現有理論無法解釋的磁場行為。Tripathi 及其同事開發的新模型與這些令人費解的實驗結果更為吻合。
對黑洞、中子星和太空天氣的影響
這些發現可能對整個天體物理學產生重要影響。
Tripathi 表示：「這項工作有可能解釋與中子星合併和黑洞形成等相關的磁場動力學，並直接應用於多信使天文學。它還有助於更好地理解恆星磁場，並預測太陽向地球噴發的氣體。」
