Energetics of turbulence generated by chiral MHD dynamos
已知左右手费米子数密度的不对称性会在感应方程中产生一个新的项，从而导致发电机不稳定性。在高温下，当手征不对称性可以持续足够长的时间时，这种手征发电机不稳定性可以有效地放大磁场，这反过来又通过洛伦兹力驱动湍流。虽然在数值模拟中已经证明了这种手性磁驱动湍流的存在并强烈影响磁场的动力学，但该过程的细节仍然不清楚。本文的目的是分析手征磁驱动湍流的能量学及其对磁场的产生和动力学的影响，采用直接数值模拟。我们研究了不同初始条件下的这些效应，包括初始手性化学势和磁性普朗特数Pm的变化。特别是，我们确定的比率的动能，磁能，Uppermance，在手性磁驱动湍流。在本研究中探索的参数空间内，Upperdance达到约0.064-0.074的值-独立于初始手性不对称性和Pm=1。我们的模拟表明，当通过降低粘度来增加Pm时，Upperdance按幂律减小。虽然精确的标度取决于拟合准则和雷诺数状态的细节，但报告的近似结果为Upperdance（Pm）=0.1 Pm^{-0.4}。利用数值模拟的结果，我们分析了早期宇宙中手征磁驱动湍流的能量学。
2018-08-28 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.flu-dyn
Nonperturbative quasilinear approach to the shear dynamo problem
我们研究大规模发电机行动由于湍流中存在的线性剪切流。我们的治疗是准线性的，相当于标准的“一阶平滑近似”。然而，它是非微扰的剪切强度。本文首先利用剪切坐标变换和线性剪切流的伽利略不变性，导出了平均磁场演化的积分微分方程。我们表明，对于非螺旋湍流，平均场的横向剪切分量的时间演化不依赖于任何其他组件，除了自己，这是有效的任何伽利略不变的速度场，独立于其动力学。因此，对于剪切参数的所有阶数，在零电阻率极限下的准线性理论中，线性剪切流中的非螺旋湍流不存在剪切电流型效应。然后，我们开发了一个系统的近似的积分微分方程的情况下，当平均磁场变化缓慢的湍流相关时间。对于非螺旋湍流，所得到的偏微分方程可以再次通过在傅立叶空间中进行剪切坐标变换来求解。所得的解是剪切波的形式，用剪切坐标中的波数来标记。这些剪切波可以在早期和中期增长，但预计会在长时间内衰减。
2010-01-01 astro-ph.CO astro-ph.GA
The small-scale dynamo: Breaking universality at high Mach numbers
小尺度发电机在大范围的条件下，包括低马赫数下的亚音速湍流、高马赫数下的高超音速湍流和大范围的磁普朗特数Pm（即动力粘度与磁阻率之比），都可能在磁化宇宙方面发挥重要作用。低马赫数特别可能导致众所周知的不可压缩Kolmogorov湍流，而对于高马赫数，我们处于高度可压缩状态，因此接近Burgers湍流。在这项研究中，我们探讨是否在这个大范围的条件下，一个普遍的行为可以预期。我们的出发点是以前的调查在运动学制度。在这里，基于Kazantsev模型的分析研究表明，发电机的行为显着依赖于Pm和湍流的类型，并且数值模拟表明，增长率对气流的马赫数有很强的依赖性。一旦磁场在电流放大尺度上饱和，就会发生逆反应，并且生长转移到下一个更大的尺度。我们采用一个福克-普朗克模型计算的磁场放大在非线性政权，并找到一个由此产生的幂律增长，依赖于所调用的湍流类型。对于Kolmogorov湍流，我们证实了以前的结果表明，线性增长的磁能。对于更一般的湍流谱，其中湍流速度v_t与特征长度尺度u_ \ell \propto \ell^{\vartheta}成比例，我们发现磁能的增长为（t/ T_{ed}）^{2 \vartheta /（1- \vartheta）}，其中t是时间坐标，T_{ed}是湍流强迫尺度上的涡翻转时间。对于Burgers湍流，\vartheta =1/2，因此可以预期二次增长而不是线性增长，并且达到…
2013-01-18 astro-ph.CO physics.flu-dyn physics.plasm-ph
The Small-Scale Dynamo at Low Magnetic Prandtl Numbers
今天的宇宙是高度磁化的，尽管第一个磁性种子场很可能非常微弱。为了解释磁场强度在许多数量级上的增长，需要进行快速放大过程。目前已知的最有效的机制是小型发电机，它将湍流动能转化为磁能，导致磁场的指数增长。发电机的效率取决于由湍流谱v（l）\propto l^{θ}的斜率表示的湍流类型，其中v（l）是尺度l下的涡流速度。我们探索湍流谱范围从不可压缩Kolmogorov湍流θ = 1/3的高度可压缩Burgers湍流θ = 1/2。在这项工作中，我们分析了小规模发电机的性能为低磁普朗特数Pm，这表示的比例的磁雷诺数，Rm，流体动力学的，Re。我们使用WKB近似求解描述小尺度磁场演化的Kazantsev方程。在低磁普朗特数的极限下，生长速率与Rm^{（1-θ）/（1+ θ）}成正比。我们进一步讨论了临界磁雷诺数Rm_crit，这是所需的小规模发电机行动。对于Kolmogorov湍流，Rm_crit的值约为100，对于Burgers湍流，Rm_crit的值约为2700。此外，我们讨论了Rm_crit提供了一个更强的限制，在低的Pm比它的大Pm。我们的结论是，小规模的发电机可以运行在低磁普朗特数的制度，如果磁雷诺数是足够大的。因此，小尺度上的磁场放大可以在大范围的物理环境中发生，并且在短时间尺度上放大弱磁种子场。
2012-12-25 astro-ph.CO physics.flu-dyn physics.plasm-ph
A jet-driven dynamo (JEDD) from jets-inflated bubbles in cooling flows
我认为，在星系团和星系群的冷却流中放大磁场的主要过程是喷流驱动发电机（JEDD）。气泡膨胀过程中形成的大量旋涡所形成的湍流和射流传播过程中形成的大尺度剪切是导致JEDD的主要过程。在射流和气泡的附近存在强湍流就足够了，正好在剪切大的地方。射流和气泡附近的JEDD对磁场的典型放大时间约为一亿年。在整个冷却流动区域中的放大时间稍长。产生湍流的涡流也是通过将冲击射流气体与团簇内介质气体混合以及通过激发声波将能量从射流传递到团簇内介质的涡流。JEDD模型将磁场添加到冷却流中射流反馈机制（JFM）中能量和质量的循环行为中。
2017-01-03 astro-ph.CO astro-ph.GA
Dynamo model for the inverse transfer of magnetic energy in a nonhelical decaying magnetohydrodynamic turbulence
当磁流体动力学（MHD）系统中存在螺旋性或转动不稳定性时，会出现磁能的逆级联。这一众所周知的现象被认为是宇宙中大尺度磁场的基础。然而，在一个衰减的MHD系统中，非螺旋磁场能量也向大尺度迁移，这为研究静止天体物理系统中大尺度磁场的起源提供了重要线索。Zeldovich绳发电机模型被认为是磁场放大的基本的和象征性的模型。然而，绳模型假设特定的外力，如浮力或科里奥利力是不合适的衰减湍流系统没有任何外力。因此，我们提出了一个新的发电机模型的基础上的磁感应方程不包括一个强迫源。该模型表明磁场（通量）的膨胀和增长实质上是系统能量的重新分配。磁能量的传递实质上是流体运动与种子磁场相互作用而产生的一系列磁场。我们还讨论了基于标度不变MHD方程的解析定理。
2016-02-15 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.flu-dyn
A comparison of the turbulent dynamo in weakly-collisional and collisional plasmas: from subsonic to supersonic turbulence
本文通过HPIC与MHD模拟对比研究了弱碰撞等离子体在亚声速和超声速湍流中的湍流发电机特性，发现其与碰撞等离子体中的MHD发电机物理性质相似，并推断出有效雷诺数。
2025-02-07 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.plasm-ph
Dynamo instabilities in plasmas with inhomogeneous chiral chemical potential
我们研究了手征磁流体力学中磁场的动力学，它考虑了高能等离子体中与手征磁效应有关的附加电流的影响。我们进行直接的数值模拟，考虑弱种子磁场和手性化学势μ_5与零平均的不均匀性。我们表明，一个小规模的手征发电机可以发生在这样的等离子体中，如果波动的μ_5的长度尺度上，是远远大于发电机增长率达到最大值的规模相关。由于小尺度的手征发电机不稳定性，磁涨落增长了许多数量级。一旦产生的磁场对μ_5波动的非线性反作用开始，这些尺度的比率就会减小，发电机就会饱和。当磁波动增长到足以通过洛伦兹力达到最大场强之前驱动湍流，一个额外的平均场发电机阶段被确定。平均磁场在波动分量的放大饱和之后以大于湍流的积分尺度的尺度增长。平均磁场的增长率是由与电流螺旋度成比例的磁α效应引起的。随着湍流的开始，μ_5的功率谱发展出与其初始形状无关的普适k^（-1）标度，而磁能谱则接近k^（-3）标度。
2022-02-12 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.flu-dyn
On the small scale turbulent dynamo in the intracluster medium: A comparison to dynamo theory
我们目前的非辐射，宇宙学的放大模拟星系团的形成与磁场和（各向异性）的热传导的一个非常巨大的星系团的质量在红移为零，对应于$M_\mathrm{vir} \sim 2 \times 10^{15} M_{\odot}$。我们在三个分辨率水平（1X，10 X，25 X）上运行集群，从$2 \times 10^8M_{\odot}$的有效质量分辨率开始，随后增加粒子数量以达到$4 \times 10^6M_{\odot}$。在模拟中获得的最大空间分辨率是有限的重力软化达到$ε=1.0$ kpc的最高分辨率水平，允许解决非常精细的结构的层次组装。所有的模拟，已经进行了SPMHD代码小工具-3与大量更新的SPMHD处方。主要研究团簇内介质（ICM）中的磁场放大。结果表明，在重联扩散极限下，主要的放大机制是小尺度湍流发电机。在我们的两个最高分辨率的模型中，我们开始解决由这个过程驱动的磁场放大，我们明确量化这与磁功率谱和磁张力，限制与发电机理论一致的磁场线的弯曲。此外，我们调查的$\nabla \cdot \mathbf{B}=0$约束在我们的模拟，并表明，我们实现了可比的结果，以国家的最先进的AMR或移动网格技术，如恩佐和Arepo的代码中使用。我们的研究结果表明，第一次在一个完整的宇宙学模拟的星系团，发电机的行动可以解决的框架内的现代拉格朗日磁流体动力学（MHD）方法，一项研究，目前在文献中…
2021-08-17 astro-ph.CO astro-ph.GA
Dynamo in the Intra-Cluster Medium: Simulation of CGL-MHD Turbulent Dynamo
标准的磁流体动力学（MHD）描述的等离子体中的热，磁化气体的内集群（ICM）介质是不够的，因为它是弱碰撞。在这种无碰撞的磁化气体中，粒子的微观速度分布不是各向同性的，从而在动力学尺度上产生动力学效应。这些动力学效应对于理解湍流以及ICM中磁场的放大和维持都很重要。通过对MHD方程的修正，可以建立无碰撞或弱碰撞气体的流体模型。这些模型通常被称为动力学MHD（KMHD）。使用基于CGL封闭的KMHD模型，该模型允许压力张量的两个分量（相对于局部磁场的平行分量和垂直分量）的绝热演化，我们进行了强迫湍流的3D数值模拟，以研究初始弱种子磁场的放大。我们发现，磁能的增长率与普通的MHD湍流发电机相当，但磁能的饱和程度小于MHD情况。我们还发现，发电机工作的一个必要条件是对压力的各向异性施加限制。
2011-02-25 astro-ph.CO physics.flu-dyn physics.plasm-ph
The Small-Scale Dynamo and Non-Ideal MHD in Primordial Star Formation
我们研究了原始晕形成过程中磁场的放大作用。在第一批恒星和星系形成过程中，引力下落运动所产生的湍流可以非常有效地放大磁场，并在短时间内达到动态显著值。卡赞采夫理论描述了所谓的小尺度发电机--一种将湍流的动能转化为磁能的磁流体动力学过程--然后我们就可以计算出小尺度磁场的增长率。我们的计算是基于一个详细的化学网络，我们包括非理想的磁流体力学效应，如双极扩散和欧姆耗散。我们跟随磁场的演化到更大的尺度，直到饱和发生在金斯尺度上。假设由比尔曼电池过程产生的弱磁种子场，Burgers和Kolmogorov湍流都导致在相当小的密度范围内饱和。这样的场很可能在原恒星盘形成后变得相关，因此可能影响宇宙中第一批恒星和星系的形成。
2012-05-23 astro-ph.CO physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Magnetic Field Amplification in Young Galaxies
目前的宇宙是高度磁化的，在像银河系这样的典型星系中，磁场的量级为几个10^-5 G，相干长度大于10 kpc。我们认为，磁场在星系的形成和早期演化过程中已经被放大到这个值。年轻星系中的湍流是由吸积和第一代恒星的超新星（SN）爆炸驱动的。小尺度发电机可以将湍流动能转化为磁能，并在短时间尺度上放大非常弱的原始磁种子场。放大发生在两个阶段：在运动学阶段的磁场指数增长，最大的增长在最小的非电阻规模。在接下来的非线性阶段，磁能向更大的尺度移动，直到发电机在湍流强迫尺度上饱和。为了定量描述磁场的放大，我们建立了年轻星系星际介质的微观物理模型，并确定了小尺度发电机的增长率。我们估计两个湍流强迫机制：吸积驱动的湍流和SN驱动的湍流的饱和场强和发电机时标。我们比较他们达到的场强，当只有恒星磁场分布的SN爆炸。我们发现，小尺度发电机是更有效地磁化年轻星系的ISM。在吸积驱动的湍流中，经过2400万年~ 27000万年的时间，磁场强度达到10^-6 G的量级;而在SN驱动的湍流中，仅仅经过400万年~ 1500万年，发电机就在典型的10^-5 G的磁场强度下饱和。这比哈勃时间短得多。我们的工作可以帮助理解为什么今天的星系是高度磁化的。
2013-11-10 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.flu-dyn
Collapse-accelerated small-scale dynamos in the first stars and galaxies
International Centre for Theoretical Sciences（国际理论科学中心）
本研究探讨引力坍缩对小尺度发电机放大磁场的影响，发现坍缩可显著加速发电机，使磁场在坍缩时间内达到动力学显著强度，影响第一代恒星与星系的形成与演化。
2026-10-05 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
No evidence of vorticity production from irrotational turbulent gravitational collapse yet
Nordita, KTH Royal Institute of Technology and Stockholm University（诺迪塔，皇家理工学院和斯德哥尔摩大学）；The Oskar Klein Centre, Department of Astronomy, Stockholm University（奥斯卡·克莱因中心，天文学系，斯德哥尔摩大学）；McWilliams Center for Cosmology & Department of Physics, Carnegie Mellon University（麦克威廉斯宇宙学中心与物理系，卡内基梅隆大学）；School of Natural Sciences and Medicine, Ilia State University（自然科学与医学院，伊利亚州立大学）；Scuola Normale Superiore（比萨高等师范学院）；Argelander-Institut für Astronomie, Universität Bonn（阿尔根德天文学研究所，波恩大学）
通过数值模拟研究引力坍缩中涡量的产生效率，发现涡量仅来自初始无旋湍流而非坍缩流，不支持小尺度发电机所需的涡旋湍流。
2026-10-30 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.flu-dyn
The Turbulent Dynamo in Highly Compressible Supersonic Plasmas
这个动荡的发电机可以解释宇宙磁力的起源。虽然磁场的指数放大已经在不可压缩气体中进行了研究，但对高度可压缩的超音速等离子体（如星系的星际介质和早期宇宙）中的发电机作用知之甚少。在这里，我们进行了第一次定量比较的理论模型的发电机增长率和饱和度与三维磁流体动力学模拟超音速湍流与网格分辨率高达1024^3细胞。我们获得了数值收敛性，并发现发电机作用在低和高磁普朗特数Pm = nu/eta = 0.1-10（粘性耗散与磁耗散之比）时都发生，而这在超音速湍流中只在Pm >= 1时才出现。我们测量了临界磁雷诺数，Rm_crit = 129（+43，-31），表明可压缩发电机几乎与不可压缩气体一样有效。考虑到现在和早期宇宙的物理条件，我们得出结论，磁场需要考虑从早期到现在的宇宙年龄的结构形成过程中，因为它们抑制气体碎裂和驱动强大的喷流和外流，都极大地影响了恒星的初始质量函数。
2014-12-01 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
