由剪切流诱导的射流驱动的大规模发电机

《Nature》：Large-scale dynamos driven by shear-flow-induced jets

本研究提出一种新的湍流发电机制，通过解析理论和三维高分辨率模拟，揭示了剪切流中三维射流的拓扑保护特性如何在大尺度准周期性磁场生成中起关键作用，为理解中子星合并等天体物理现象及实验室等离子体提供了理论依据。

　　

摘要

无论在何种尺度上，磁场都会影响各种现象，包括恒星形成、宇宙射线传输、带电粒子加速、空间天气、行星大气中的物质传输以及实验室等离子体行为。这些磁场通常是由湍流过程产生的，并通过这一过程得以维持，这一过程被称为“发电机机制”（dynamo）。1955年，E. N. Parker 对小尺度湍流的影响进行了参数化分析，从而提出了平均场发电机理论¹。这一被广泛采用的理论能够再现观测到的大尺度磁场现象，但在参数调整方面存在困难，因为这些参数并未基于第一性原理进行推导：对湍流的研究表明，磁场会因剪切流的作用而变得复杂，进而折叠并分裂成小尺度结构^2,3。在本研究中，我们考虑了一种不稳定的受驱动剪切流，并发展了相应的解析理论，同时进行了三维、高精度的计算机模拟（网格点数量达到4,096 × 4,096 × 8,192），成功展示了准周期性大尺度磁场的自洽生成过程。这种生成机制依赖于“平均涡度效应”——这是1990年提出的另一种平均场发电机理论^{4。这一机制的关键在于先期产生的大尺度三维喷流，这些喷流作为磁流体动力学方程的拓扑保护性解（即精确的非线性解）而稳定形成。这种喷流驱动的发电机机制适用于多种受剪切力驱动的实验室和天体物理系统，例如双中子星合并过程5,6：据报道，在这些过程中，发电机机制可能在微秒时间尺度上运作，从而在毫秒内产生宇宙中最强的磁场之一7，为多信使天文学研究提供了重要依据8。}