我们的宇宙高度磁化，但没有人确切知道原因。目前的理论是，宇宙湍流放大了微小的“种子”磁场，形成了今天控制星系的强大磁场。天体物理学家仍在努力充分理解这一过程，但最近一项模拟星系碰撞的实验室实验可能使科学家们在揭开宇宙磁性的神秘起源方面更进一步。
我们宇宙中的物质形成了一个由人口密集的星系团和连接的丝状结构组成的网络，它们被巨大的空隙隔开，只有偶尔的散乱星系中断。当天文学家开始观察太空中的磁场时，他们注意到了一些奇怪的事情：宇宙是磁化的。科学家们原以为会在活跃区域发现磁性，比如恒星内部的等离子电流可能会产生磁场。但显然，即使是最空旷的宇宙区域，即科学家们认为几乎不会发生任何事情的地方，也布满了磁性。宇宙磁场在控制恒星和星系的运动和演化中起着关键作用，因此科学家们渴望了解它们是如何诞生的，以及它们是如何变得如此强大的。
牛津大学的天体物理学家 Jena Meinecke 解释说，天体物理学家怀疑星系际磁性起源于“原始磁场”。她领导了这项研究。“它们基本上是周围所有磁场的祖父磁场。” 科学家们通过一种名为“毕尔曼电池机制”的过程，从零开始创造了这些所谓的“种子”磁场。本质上，通过产生非常强的冲击波，研究人员可以在实验室中制造自己的磁场。但他们的种子磁场比在星系团中看到的磁场弱大约一千万亿倍。
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为了解释太空磁场的强大强度，科学家们提出种子磁场可以通过宇宙湍流放大。星系团充斥着喷射物质并相互碰撞的星系，是一个非常动荡的环境。当这些星系团中的等离子体移动时，嵌入其中的磁场也应该扭曲和拉伸。一些运动粒子的动能转化为磁能，从而增强了磁场。
为了验证这一理论，天体物理学家想看看湍流是否可以在实验室中放大种子磁场。在6月22日发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，Meinecke 和她的同事试图用激光产生的等离子云来模拟星系合并，并观察由此产生的湍流如何影响种子磁场。在他们的实验中，Meinecke 的团队使用了位于英国卢瑟福阿普尔顿实验室的 Vulcan 激光器，它是世界上最强大的激光器之一。他们在充满气体的腔室中设置了两片平行的碳箔片，它们相距约六厘米，并将多束激光束聚焦在每片箔片的外表面上。这些激光驱动冲击波穿过每片箔片，从而产生一股等离子射流，从两片箔片的内表面喷射出来。“所以我们有这两股射流相互靠近，然后最终在中间碰撞，”Meinecke 说。“碰撞后，它们创造了……一种向外扩张的湍流球，这真是太美了。”
这种湍流使 Meinecke 的团队在箔片之间产生的种子磁场缠绕并放大，为当前关于宇宙磁场如何变得如此强大的理论提供了实验证据。研究人员还使用计算机模型模拟了他们的实验，结果相似。“当人们有时看到这些东西时，他们说的第一句话是，‘哦，太荒谬了，与实验室相比，太空是巨大的[，它怎么可能一样？’” 牛津大学 Meinecke 研究小组的实验室天体物理学家 Joseph Cross 说，他没有参与这项研究。“但是有很多很好的论文表明，确定一切如何发生的方程式可以用一种不依赖于尺度的方式来写。” 根据 Cross 的说法，Meinecke 的工作表明，尽管现实生活中的星系合并和实验室等离子体碰撞在规模上存在巨大差异，但放大磁场的原理是相同的。
然而，日内瓦大学的天体物理学家 Andrii Neronov 没有参与这项研究，他警告说，湍流放大的磁场模型不一定能捕捉到真实星系团环境的所有细微差别。根据 Neronov 的说法，宇宙磁场的产生是一个多阶段过程，受许多未知的物理参数控制。
尽管如此，Neronov 表示，Meinecke 的团队在实验室实验和他们的模拟中证明了湍流放大，这令人欣慰。结果“表明该过程的特定阶段按预期工作。在这方面，它是朝着理解星系团内磁场产生迈出的重要一步，”他说。
尽管研究人员只能在微小的尺度上复制如此巨大的事件，但他们可以在地球上学到很多关于支配宇宙的磁性的知识。