Collisionless dynamo seeds from phase mixing-induced electron slippage
Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）
提出一种在初始无磁化无碰撞等离子体中通过相混合制动空间变化电子流产生磁场的动力学机制，生成尺度远超动力学尺度、强度可比或超过经典Biermann电池的相干种子场。
2026-10-30 physics.plasm-ph
Turbulent amplification of magnetic field driven by dynamo effect at rippled shocks
我们推导出解析的涡下游产生的二维波纹磁流体激波忽略流体粘度和电阻率。下游磁场湍流分量的增长是由涡旋运动驱动的。我们确定了一个解析的时间演化的磁场放大冲击，到目前为止，只描述了数值，直到饱和发生由于种子场反应的磁力线旋转。从波纹激波的MHD跳跃条件出发，导出了放大增长率和非线性场反作用随激波参数和星际密度涨落的显式表达式。利用合理的星际湍流参数，可以获得毫高斯量级的磁场饱和和超新星遗迹的$X$射线观测的短时变率。
2013-04-17 astro-ph.EP astro-ph.HE 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
Saturation mechanism of the fluctuation dynamo in supersonic turbulent plasmas
几个天体中的磁场通过发电机机制被放大和维持，发电机机制是将湍流动能转换为磁能。一个能将磁场放大到$<$尺度（湍流的驱动尺度）的发电机被称为波动发电机。研究了超声速湍流等离子体中涨落发电机的特性，这对激光等离子体湍流的ISM、结构形成和实验室实验都有重要意义。利用模拟，我们探讨了亚音速和超音速湍流的指数增长和饱和状态的波动发电机的属性。我们证实，波动发电机效率降低压缩性。我们表明，波动发电机产生的磁场是空间间歇性和水平的不稳定性下降的领域饱和。我们发现一个更强的反作用的磁场上的速度为亚音速的情况下相比，超音速的情况下。局部地，我们发现，涡量和速度，速度和磁场，电流密度和磁场之间的对齐的水平在饱和阶段相比，指数增长阶段的亚音速的情况下，增强，但只有电流密度和磁场对齐的超音速的情况下，增强。我们表明，磁场放大（由于较弱的拉伸的场线）和扩散减少时，该领域的饱和，但相对于放大的扩散增强。在亚音速紊流中，这种情况在整个体积内发生，但在超音速情况下，这种情况主要发生在强场区。这导致波动发电机的饱和。总之，磁场的放大和扩散都受到影响，因此饱和不需要它们中的任何一个的剧烈变化。[摘要删节]
2021-09-24 astro-ph.GA physics.plasm-ph
On the saturation mechanism of the fluctuation dynamo at ${\text{Pr}_\mathrm{M}} \ge 1$
在许多天体中，磁场的存在是由于发电机的作用，即一部分动能转化为磁能。产生与湍流相同尺度的磁场结构的湍流发电机被称为波动发电机。我们使用数值模拟来探索非线性的，统计稳定状态的波动发电机驱动湍流。我们证明，作为磁场增长饱和，它的放大和扩散都受到反作用的洛伦兹力的流动。由于速度场、磁场和电流密度之间的较强对准，磁场的放大减小。此外，我们确认，放大率下降，由于较弱的拉伸的磁场线。相对于场线拉伸的扩散增强通过计算的磁雷诺数的局部值的减少来量化。使用闵可夫斯基泛函，我们量化的磁结构的形状所产生的发电机作为磁丝和丝带在运动和饱和发电机，并推导出缩放的典型长度，宽度和厚度的磁结构与磁雷诺数。我们发现，所有这三个磁长度尺度的发电机饱和时增加。在运动发电机（磁场强度呈指数增长）中，磁不稳定性很强，在统计稳定状态下持续存在，但强磁丝和磁带的体积更大。
2020-03-18 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Turbulent magnetic field amplification from the smallest to the largest magnetic Prandtl numbers
小型发电机提供了一种将湍流能量转化为磁能的高效机制。在天体物理环境中，这种湍流经常发生在高马赫数下，这意味着湍流谱中的陡斜率。因此，一个中心问题是，小尺度发电机是否能够放大星际或星系间介质中的磁场，因为在这些介质中会出现这样的马赫数。为了解决这个长期存在的问题，我们采用Kazantsev模型的湍流磁场放大，系统地探索不同的湍流斜率的影响，如柯尔莫哥洛夫，伯格斯，拉森定律和数值模拟的结果。在此框架下，我们给出了第一个包含完整磁普朗特数范围的解，包括Pm << 1，Pm ~ 1和Pm >> 1.我们推导出的缩放律的增长率作为一个功能的流体动力学和磁雷诺数为Pm << 1 and Pm >> 1的所有类型的湍流。一个中心的结果涉及的制度Pm ~ 1，其中的磁场放大率迅速增加的函数Pm。这种现象发生在我们探索的所有类型的湍流中。我们进一步发现，发电机的增长率可以降低几个数量级的湍流谱比Kolmogorov陡峭。我们计算了磁场放大的临界磁雷诺数Rm_c，在Burgers情况下最高。正如预期的那样，我们的计算显示了放大率接近与Rm-Rm_c成比例的阈值的线性行为。基于Kazantsev模型，我们因此期望存在的小尺度发电机的任何给定的值的Pm，只要磁雷诺数是高于临界阈值。
2012-12-14 astro-ph.CO physics.plasm-ph
From Weibel seeds to collisionless dynamos beyond pair-plasmas
Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）
研究通过无碰撞湍流模拟揭示了弱碰撞性团簇介质中磁场种子生成与后续磁流体动力学放大之间的时空尺度桥梁，探讨了闭合条件对等离子体行为转变的影响。
2026-05-08 astro-ph.CO physics.plasm-ph
Biermann battery effects on the turbulent dynamo in a colliding plasma jets produced by high-power lasers
利用FLASH程序研究了Biermann电池（BB）对强激光碰撞等离子体射流中湍流磁场放大的影响。结果表明，BB在湍流场放大中起着重要的作用。由湍流引入的小尺度流体结构可以允许BB有效地放大磁场。当流动垂直于磁场时，示出的磁场放大率大于流动平行的情况。
2019-06-27 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Dynamo-driven plasmoid formation from a current-sheet instability
轴对称载流等离子体团的形成在非轴对称波动的存在下，在非线性三维电阻磁流体模拟在一个全球性的环形几何形状。我们利用螺旋度注入技术来形成一个初始的极向磁通的存在下的环形引导场。当注入螺旋度时，两种类型的电流片由1）注入器区域中的相反方向的场线（初级重联电流片）和2）等离子体边缘附近的极向通量压缩（边缘电流片）形成。我们首先发现，非轴对称波动所产生的电流片不稳定性附近的等离子体边缘孤立撕裂宇称，但仍然可以快速增长（极向阿尔芬时间尺度）。这些模式通过打破电流片而饱和。第二，第一次观察到的发电机极向通量放大在reconnetion网站（在该地区的相反方向的磁场）。这种波动引起的通量放大增加了当地的伦德奎斯特数，然后触发了等离子体团不稳定性，并打破了在重联网站的主要电流片。大规模通量放大驱动的等离子体团形成，即大规模发电机，这里观察到的天体物理重联以及实验室等离子体中的快速重联事件具有强烈的影响。
2016-10-28 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic field amplification to the gigagauss scale via dynamos driven by femtosecond lasers
达到千兆高斯的磁场为原子物理和等离子体物理开辟了新的视野。在这些磁场强度下，电子回旋能量$\hbarω_{c}$变得与原子结合能（里德堡）相当，并且回旋频率$ω_{c}$接近固态密度下的等离子体频率，这显着改变了目标的光学性质。在实验室中产生如此强的准静态磁场仍然是一个挑战。使用超级计算机模拟，我们演示了如何可以实现全光学照射的微通道目标的圆偏振相对论飞秒激光。激光脉冲沿通道壁驱动一个强电子涡旋，通过逆法拉第效应在通道中感应出兆高斯纵向磁场。然后，该种子场被放大到千兆高斯水平，并通过由通道壁的等离子体热膨胀驱动的发电机维持在皮秒时间尺度上。我们的计划设置了一个可能的平台，在实验室中使用现成的激光器产生长寿命的极端磁场。这一概念也可能与磁惯性聚变等应用有关。
2020-09-04 physics.optics physics.plasm-ph
Turbulent dynamo in a collisionless plasma
磁场遍布整个宇宙，影响着从宇宙到行星尺度的天体物理系统的形成和演化。银河系外磁场的产生和动力学放大贯穿宇宙时间，达到附近星系团报告的$μ$高斯水平，接近等离子体运动的动能均分，尺度至少为数十千秒差距，这是一个主要的难题，基本上不受观测的约束。在这种情况下，经常会引用发电机效应将动能转化为磁能，然而河外等离子体是弱碰撞的（与磁流体力学流体相反），并且在这种等离子体中是否可能通过有效的湍流发电机不稳定性来实现磁场增长和维持还没有确定。在六维相空间中的弗拉索夫方程的完全动力学数值模拟回答这个问题所必需的，直到最近仍然超出计算能力。在这里，我们通过这样的模拟表明，磁场放大通过发电机不稳定性发生在随机驱动的，非相对论性的亚音速流最初未磁化的无碰撞等离子体。我们还发现，发电机自加速，并成为纠缠与动力学不稳定性的磁化强度增加。结果表明，这样的等离子体发电机可能在实验室实验中实现，支持的想法，即集群内介质（ICM）湍流可能显着有助于放大集群磁场近均分水平的时间尺度短于哈勃时间，并强调多尺度动力学物理在高能天体物理等离子体的关键作用。
2016-04-01 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.flu-dyn
Turbulent dynamos in a collapsing cloud
International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research（国际理论科学中心，塔塔基础研究所）；Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics（大学间天体物理与天文中心）；Department of Physics, Ashoka University（阿肖卡大学物理系）；School of Mathematics, Statistics and Physics, Newcastle University（纽卡斯尔大学数学、统计与物理学院）
研究坍缩云中小型和大型发电机的行为，揭示磁场在坍缩背景下的超指数增长机制，挑战传统发电机理论。
2026-01-22 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
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
Lagrangian statistics of a shock-driven turbulent dynamo in decaying turbulence
在超新星激波和星系团中观测到$n$ G级的小尺度波动磁场，其放大可能是由比尔曼电池机制引起的。然而，如果没有湍流发电机，这些磁场就不能进一步放大，湍流发电机通过拉伸-扭曲-折叠（STF）机制产生磁能。因此，我们在这里提出了新的三维磁流体动力学（MHD）模拟的激光驱动的冲击波传播到分层，多相介质，调查后冲击波湍流磁场放大通过湍流发电机。这里使用的配置目前正在国家点火装置（NIF）的激波风洞中进行测试。为了探索激波后湍流区的统计特性，我们使用$384 \times 512 \times 384$示踪剂通过拉格朗日框架跟踪其演变，从而提供了一个高保真的分析冲击介质。我们的模拟表明，磁场的增长，伴随着近萨夫曼动能衰减（$E_{\textrm{kin}} \propto t^{-1.15})$没有湍流驱动，表现出略有不同的特性相比，周期性的盒子模拟。在其演化过程中似乎不存在明显的阶段，因为在湍流衰减过程中观察到磁场放大的激波通道和时间非常短（湍流翻转时间的$\sim\!0.3$）。然而，增长率仍然是一致的压缩（无卷曲）湍流驱动亚音速，可压缩湍流的预期。唯象理解的磁场和速度场的动态也阐明通过拉格朗日频谱，这是一致的预期的惯性范围缩放的欧拉-拉格朗日桥。
2023-02-16 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetic field amplification in turbulent astrophysical plasmas
磁场在天体物理吸积盘、星际和星系间介质中起着重要作用。它们驱动喷流，抑制恒星形成云中的碎片，并对恒星的吸积率产生重大影响。然而，宇宙磁场的确切放大机制仍然知之甚少。在这里，我首先回顾了最近的进展，在数值和理论建模的“湍流发电机”，这可能会解释银河系和星系间磁场的起源。虽然发电机行动以前非常详细地研究了不可压缩等离子体，我在这里特别强调高度可压缩的天体物理等离子体，其特点是强烈的密度波动和冲击，如星际介质。我发现，发电机行动的作品不仅在亚音速等离子体，但也在高度超音速，可压缩等离子体，以及低和高磁普朗特数。我进一步提出了新的数值模拟，从我确定的湍流（无序）磁场分量（$B_\mathrm{turb}$）的存在下，弱和强的引导字段（$B_0$）的增长。我改变$B_0$超过5个数量级，发现$B_\mathrm{turb}$对$B_0$的依赖性相对较弱，可以用一个简单的理论模型来解释，在这个模型中，湍流提供了放大$B_\mathrm{turb}$的能量。最后，我讨论了磁场对吸积盘结构、喷流发射和星际云恒星形成率的一些重要影响。
2016-11-22 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetic field amplification and evolution in turbulent collisionless MHD: an application to the ICM
ICM中观测到的磁场的放大和维持通常归因于湍流发电机作用。这通常是由采用碰撞MHD模型。然而，在ICM的离子碰撞之间的平均自由程的动力学尺度的顺序，因此需要一个无碰撞的MHD描述。与碰撞MHD模拟不同，我们的研究使用相对于局部磁场方向的各向异性等离子体压力，这使得等离子体在参数空间内发生无碰撞不稳定性。在所采用的模型中，这些不稳定性通过压力各向异性的弛豫项包含在海湾中，该弛豫项模拟了镜像和消防水龙带不稳定性的反馈。这种弛豫的作用是得到与无碰撞等离子体的经验研究相一致的等离子体分布函数。我们的三维数值模拟的强迫跨音速湍流的激励下的湍流ICM的建模进行了不同的初始值的磁场强度，和不同的压力各向异性的弛豫率。我们发现，在对应于ICM条件的高β等离子体制度，快速各向异性弛豫速率给出的结果是类似的碰撞MHD模型的湍流的统计特性而言。此外，种子磁场的放大，由于湍流发电机的行动是类似的碰撞MHD模型。我们的模拟不采用各向异性弛豫显着偏离碰撞MHD的结果，并显示更多的权力在小尺度的波动的密度和速度代表的结果的不稳定性。对于这些模拟，磁场中的大尺度波动大部分被抑制，并且湍流发电机在放大种子磁场方面失败。
2013-05-24 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Magnetic dynamo action at low magnetic Prandtl numbers
本文研究了小磁普朗特数区域中运动学湍流发电机作用对磁场的放大作用。这样的制度是相关的行星和恒星内部，以及液态金属实验室实验。Kazantsev Kraichnan模型的基础上，建立发电机阈值和发电机增长率的湍流波动的不同动力学螺旋度的全面分析。有人建议，在对比的情况下，大磁普朗特数，在小磁普朗特数的运动发电机行动的显着影响的动力学螺旋度，它可以是相当有效的螺旋度谱的适当选择。
2010-10-31 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
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
Acceleration of Plasma Flows Due to Reverse Dynamo Mechanism
"逆发电机"机制-放大/快速等离子体流的微尺度（湍流）磁场通过磁流体耦合的产生。结果表明，宏观尺度的磁场和流动是由微观尺度的磁场和流动同时、成比例地产生的。微观驱动力越强，宏观产品就越强。恒星和天体物理学的应用建议。
2005-06-19 astro-ph physics.plasm-ph
Not Much Helicity is Needed to Drive Large Scale Dynamos
了解湍流天体物理转子中大尺度磁场的原位放大一直是发电机理论的核心课题。当湍流速度是螺旋形时，大尺度发电机在超过湍流强迫尺度的尺度上大大放大场，但最小足够的分数动力学螺旋度f_h，C以前没有很好地量化。通过对简单螺旋发电机的直接数值模拟，我们发现f_h，C随强迫与大尺度波数之比k_F/k_min的增大而减小。从大尺度螺旋发电机必须克服大尺度上任何非螺旋场的反作用这一条件出发，我们提出了一个可以解释模拟结果的理论。当k_F/k_min>8时，f_h，C<3%，这意味着即使在中等尺度分离下，很小的螺旋度分数也会强烈影响磁谱。
2012-06-21 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Primordial Magnetic Field Amplification from Turbulent Reheating
分析了随机大尺度运动发电机在再加热过程中原始磁场放大的可能性。考虑与引力最小耦合的带电标量场。在膨胀期间，这个场被假定为处于真空状态。在过渡到再加热时，场的状态变为多粒子/反粒子状态。我们把这种状态描述为一个平均速度为零但速度场为随机的流体流。我们计算尺度相关的雷诺数$% Re(k)$，和湍流衰减的特征时间，$t_{d}$和对湮灭$t_{a}$，发现$t_{a}<< t_{d}$。我们计算的均方根值的动力学螺旋度的流动规模$\mathcal{L}$，并表明它不会消失。我们使用这个结果来估计种子场的随机运动发电机方程的放大因子。虽然这种效应很弱，但它表明宇宙磁场从再加热到星系形成的演化过程可能比简单的通量冻结所决定的要复杂得多。
2010-07-05 astro-ph.HE hep-ph physics.plasm-ph
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
The effect of pressure-anisotropy-driven kinetic instabilities on magnetic field amplification in galaxy clusters
本研究考虑压力各向异性驱动的动理学不稳定性效应，结合Modified GALFORM并合树与湍流小尺度发电机模型，发现星系团磁场放大需在z≥1.5开始才能在z=0达均分，为未来射电观测约束发电机阶段提供工具。
2024-03-08 astro-ph.CO physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Negative Turbulent Magnetic Diffusivity $β$ effect in a Magnetically Forced System
本文研究了螺旋磁能作用下的大尺度发电机过程。磁力驱动发电机的研究不如动力驱动发电机的研究好。它被认为代表了恒星日冕、吸积盘或等离子体实验室中磁场的放大。然而，螺旋磁场和等离子体之间的相互作用是一个更基本的现象，可以扩展到早期宇宙。标度不变的螺旋磁场不仅解释了目前观测到的大尺度天体物理磁场，而且提供了早期宇宙视界标度的信息。磁场与等离子体之间的相互作用本质上是非线性的，这使得其机制难以理解。但是，如果等离子体系统是由螺旋场驱动，该过程可以线性化与α和β和大尺度磁场。传统上，α效应被认为将磁场转移到大尺度区域，而β效应扩散磁场。然而，这些结论是基于不完全导出的alpha和beta。为了得到α和\b{eta}演化的精确轮廓，我们求解了一个耦合的半解析方程组，并将结果应用于大尺度磁螺旋度和磁能的模拟数据。结果表明，在对大尺度B场的放大作出显著贡献之前，平均α效应减小。相反，保持为负的β效应实际上在具有拉普拉斯算子的大尺度B场的放大中起着关键作用。并且，这种负扩散率解释了等离子体动能的衰减
2021-09-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Imprints of primordial magnetic fields in gravitational collapse during early structure formation
Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）；Ilia State University（伊利亚国立大学）；Universit\'a di Bologna（博洛尼亚大学）；INAF Istituto di Radioastronomia（意大利国家天体物理研究所射电天文台）；Georgian National Astrophysical Observatory（格鲁吉亚国家天文台）
通过高分辨率数值模拟研究等温自引力磁化气体云在引力坍缩过程中原初磁场的统计演化，发现小尺度发电机在足够高雷诺数下主导磁场演化，其放大与引力压缩的竞争决定原初印记的留存。
2026-06-03 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Vortical field amplification and particle acceleration at rippled shocks
超新星遗迹（SNRs）冲击被认为会加速带电粒子，并在冲击后的气流中产生强烈的湍流。根据过去十年的高能观测，已经推断出SNR激波处的磁场大大超过激波压缩的星际场。我们概述了如何从一个小规模的发电机过程下游的冲击，提供了一个明确的表达湍流反反应的流体旋转这样的字段放大结果。通过合理的星际湍流参数，可以得到$X-$射线环的空间尺度和短时变。我们表明，这样的涡旋场饱和比同步加速器发射高能电子的加速时间更快。
2013-11-18 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
Enhanced Magnetic Field Amplification by Ion-Beam Weibel Instability in Weakly Magnetized Astrophysical Shocks
本文研究弱磁化激波中离子束韦贝尔不稳定性，发现背景磁场会显著影响其演化，并通过粒子模拟揭示磁化电子情形下存在类发电机磁场放大机制，最终引发自发磁重联，适用于年轻超新星遗迹激波。
2023-12-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetic Field Amplification and Reconstruction in Rotating Astrophysical Plasmas: Verifying the Roles of $α$ and $β$ in Dynamo Action
本研究针对旋转天体物理等离子体的发电机效应，通过三种方法推导α和β系数，结合DNS数据构建磁感应方程验证其作用，明确磁β扩散的主导地位及α效应在非线性区的维持作用，解释了相关物理机制。
2025-08-01 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
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
Turbulent dynamo in the terrestrial magnetosheath
Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences（奥地利科学院空间研究所）；Institute of Earth Physics and Space Science, HUN-REN（匈牙利研究与创新网络地球物理与空间科学研究所）；Department of Physics, Aberystwyth University（阿伯里斯特威斯大学物理系）；Institut für Theoretische Physik, Technische Universität Braunschweig（布伦瑞克工业大学理论物理研究所）；Max Planck Institute for Solar System Research（马克斯·普朗克太阳系研究所）；Swedish Institute of Space Physics（瑞典空间物理研究所）；Institute of Physics, University of Graz（格拉茨大学物理研究所）；Space and Plasma Physics, School of Electrical Engineering and Computer Science, KTH Royal Institute of Technology（皇家理工学院电气工程学院空间与等离子体物理）；CNR/ISTP-Istituto per la Scienza e la Tecnologia dei Plasmi（国家研究委员会等离子体科学与技术研究所）；University of Sopron（肖普朗大学）
研究发现地磁鞘层中存在湍流发电机，通过磁流体动力学机制放大磁场，为验证发电机理论提供了自然实验场。
2026-03-28 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetohydrodynamic turbulence and turbulent dynamo in a partially ionized plasma
天体物理学中的流体是湍流的、磁化的，并且经常是部分电离的。作为天体物理学湍流的一个例子，星际湍流在非常大的空间尺度范围内延伸，并参与发生在不同尺度范围内的关键天体物理过程。本世纪以来，人们对磁流体动力学（MHD）湍流的认识取得了重大进展，这使我们能够更好地描述磁化和部分电离等离子体中的湍流。事实上，MHD湍流物理的现代革命性图景促进了各个理论领域的发展，包括耗散MHD湍流的阻尼过程和产生MHD湍流的发电机过程，这些理论领域具有许多重要的天体物理意义。本文回顾了我们最近的一些重要的理论工作，以证明部分电离气体中MHD湍流和湍流发电机性质之间的相互联系。本文还简要介绍了修正后的基本过程对宇宙早期和现代磁重联、宇宙线散射、磁场放大等突出天体物理问题的影响。
2018-10-18 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
Small-Scale Dynamo Action in Primordial Halos
第一个星系的形成是由于原始晕的引力坍缩。在这个坍缩过程中，微弱的磁性种子场被小尺度发电机以指数方式放大--这是一个将湍流的动能转化为磁能的过程。我们使用Kazantsev理论，它描述了小尺度发电机解析，研究磁场放大不同的湍流速度关联函数。对于不可压缩湍流（Kolmogorov湍流），我们发现增长率与流体动力学雷诺数Re^（1/2）的平方根成正比。在高度可压缩湍流（Burgers湍流）的情况下，增长率与Re^（1/3）成正比。通过详细的化学网络，我们能够跟踪化学演化并确定晕崩溃过程中的动力学和磁粘度（由于欧姆和双极扩散）。这样，我们就可以定量地计算小尺度发电机的增长率，预测小尺度磁场的演化。由于磁能被输送到更大的尺度上的本地涡时标，我们得到的估计的磁场的金斯尺度。即使在那里，我们发现，动能的均分是在小的时间尺度上达到的。因此，在宇宙中第一个物体形成的过程中，就可以预期到动力学相关的场结构。
2012-10-29 astro-ph.CO physics.plasm-ph
Magnetic dynamo action in helical turbulence
在运动学Kazantsev Kraichnan模型的框架下，研究了螺旋度非零的湍流速度场中的磁场放大。我们提出的数值解模型的实际重要的情况下，柯尔莫哥洛夫分布的速度波动，具有较大的磁雷诺数。我们发现，在非螺旋的情况下，增长的磁场描述的几个绑定本征模集中在惯性间隔内的速度场，在螺旋的情况下，绑定本征模的数量大大增加，而且，新的未绑定本征模出现。束缚和非束缚本征模都对大尺度磁场有贡献。这表明，一个大规模的发电机行动，它只捕捉未绑定模式的传统阿尔法模型的适用性有限。
2007-12-13 astro-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Saturation of Zeldovich Stretch-Twist-Fold Map Dynamos
Zeldovich的拉伸-扭转折叠（STF）发电机提供了一个突破，概念理解的快速发电机，包括波动或小规模发电机。我们研究的两种类型的贝克的地图发电机，这已被用来模拟Zeldovich的STF发电机过程的演变和饱和行为。与直接数值模拟相比，使用这样的地图可以在更高的磁雷诺数$R_M$下分析发电机。在2-条带地图发电机中，存在恒定的建设性折叠，而4-条带地图发电机也允许场反转的可能性。通过计算一个由$R_M$参数化的扩散步骤，我们发现对于两种发电机，磁场$B(x)$仅在临界$R_M=R_{crit} \sim 4$以上被放大。我们探讨了这些发电机的饱和在3种方式;通过重整化减少的有效$R_M$（情况一）或由于在现场放大的效率降低拉伸（情况二），或两种效果的组合（情况三）。对于情况I，我们表明，$B(x)$在饱和状态下，这两种类型的地图，回到边际本征函数，这是获得的关键$R_M=R_{crit}$。这与初始$R_M=R_{M0}$无关。另一方面，在第二种情况下，对于2条地图，我们表明，$B(x)$现在饱和保持结构的运动学特征函数。因此，在情况I中能量被转移到更大的尺度，但在情况II中保持在最小的电阻尺度。对于4-条带映射，虽然具有类似于运动学特征函数的结构，但$B(x)$随时间振荡。有趣的是，情况III的饱和状态显示出中间行为，$B(x)$现在类似于中间$R_M=R_{sat}$的运动学…
2017-07-17 astro-ph.GA physics.plasm-ph
Experimental Identification of the Kink Instability as a Poloidal Flux Amplification Mechanism for Coaxial Gun Spheromak Formation
磁流体动力学扭折不稳定性被观测到，并被实验确定为同轴枪球马克形成的极向通量放大机制。在这个实验中的等离子体分为三个不同的制度，这取决于峰值枪电流的磁通量比，与（I）低的值导致在一个直的等离子体柱与螺旋磁场，（II）中间值导致扭曲的列轴，和（III）高的值立即导致分离的等离子体。发病列扭结同意定量与Kruskal-Shafranov限制，和扭结作为发电机转换为极向磁通。制度II显然导致极向通量放大和spheromak配置的发展。
2003-04-28 physics.plasm-ph
Amplification of large-scale magnetic field in nonhelical magnetohydrodynamics
通常认为，动力学螺旋度和磁螺旋度在大尺度发电机的生长中起着至关重要的作用。本文证明了螺旋度对大尺度磁场的放大并不是必不可少的。为此，我们进行了非螺旋磁流体动力学（MHD）模拟，并表明，大规模的磁场可以增长时，在非螺旋磁流体动力学的随机外力在$1/10$的盒子大小。利用数值计算的能通量和壳-壳传递率表明，大尺度磁能的增长是由于在强迫尺度上来自速度场的能量传递。
2017-08-21 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Turbulent dynamo in the two-phase interstellar medium
磁场是恒星形成星系中湍流星际介质的重要动力学组成部分。这些磁场是由于发电机作用，发电机作用是将湍流动能转换为磁能的过程。在小于湍流驱动尺度的尺度上起作用的发电机称为湍流发电机。ISM是一种多相介质，观测表明磁场的性质随相位而异。在这里，我们的目标是研究如何的湍流发电机的属性取决于相位。我们模拟了两相介质中的非等温湍流发电机（大多数以前的工作假设等温气体）。我们发现，热相（$T\ge10^3~{\rm K}$）是跨音速和冷相（$T<10^3~{\rm K}$）是超音速。我们发现磁场在指数增长阶段的增长率在两个阶段是相似的。我们计算的条款负责的涡度的放大和破坏，并表明，在这两个阶段涡度放大由于湍流运动，进一步放大的斜压项在温暖的阶段，和破坏的长期粘性相互作用中存在的对数密度梯度在冷相。我们发现，由于较强的洛伦兹力的最终比例的磁场湍流动能是较低的冷相。我们发现，非等温湍流发电机是显着不同的等温对应，这表明需要研究的湍流发电机在多相介质中。
2022-05-17 astro-ph.GA 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
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
Fluctuation Dynamo in Collisionless and Weakly Collisional Magnetized Plasmas
在弱碰撞的天体物理等离子体中，如星系团的团内介质中，宇宙磁场的混沌流体运动的放大受到磁场排列的压力各向异性的绝热产生的阻碍。这种各向异性驱动了平行于磁场的粘性应力，抑制了等离子体拉伸磁场线的能力。我证明，通过使用动力学模拟，在高$β$等离子体，动力学离子拉莫尔尺度不稳定性切断热压力和磁压力之间的绝热联系，减少这种粘性应力，从而使发电机操作。两个不同的制度的波动发电机在磁化等离子体中确定：一个在这些不稳定性有效地调节压力各向异性和一个在这种调节是不完善的。我阐明了这些动力学不稳定性的等离子体粘度的作用，并确定如何的字段和流量的自我组织，让发电机在面对平行的粘性应力。在有效的压力各向异性调节的情况下，等离子体发电机非常类似于其更传统的Pm ~ 1 MHD对应物。当调节不完善时，发电机表现出与磁流体发电机饱和状态下的特征显着相似的特征。一套新的微观物理封闭流体模拟，桥梁这两个制度的构建，表现出爆炸性的磁场增长所造成的场强依赖性粘度。发电机在无碰撞和弱碰撞等离子体，然后密切比较彼此，揭示了实质性的差异，如何子平行粘性运动的行为。前者（无碰撞）的情况下，经历了一系列的拉伸运动，以子拉莫尔尺度，导致越来越快的发电机作为磁雷诺数增加。
2019-12-23 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Shell to shell energy transfer in MHD, Part II: Kinematic dynamo
本文研究了在运动发电机状态下，受迫三维磁流体湍流中不同尺度之间的能量传递。研究了两种不同的力：非螺旋Taylor Green流（磁普朗特数P_M = 0.4）和螺旋ABC流（P_M = 1）。这种分析使我们能够检查哪些尺度的速度流是负责发电机的行动，并确定哪些尺度的磁场直接从速度场接收能量，哪些尺度通过级联的磁场从大到小的尺度接收磁能。结果表明，湍流速度脉动是小尺度（小尺度发电机）磁场放大的主要原因，而大尺度磁场的放大主要是由于大尺度流动。磁场能量从大尺度到小尺度的直接级联也存在，并且是小尺度中磁场增加的补充机制。从小磁尺度的速度场输入的能量占主导地位的能量是级联从大尺度，直到大尺度的磁能谱的峰值达到。在更小的尺度上，大部分磁能输入来自级联过程。
2005-05-26 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Fluctuation dynamo in a weakly collisional plasma
宇宙磁场的湍流放大取决于宿主等离子体的材料性质。在许多热的、稀薄的天体物理系统中，如星系团的团内介质（ICM），粒子间碰撞的罕见性使得偏离局部热力学平衡。这些偏离对等离子体运动施加各向异性粘性应力，抑制其拉伸磁场线的能力。本文利用磁流体力学（MHD）方程组，考虑场平行粘性（Braginskii）应力，对弱碰撞等离子体中的涨落发电机进行了数值研究。当应力被限制在与由消防水管和镜像不稳定性调节的压力各向异性相一致的值时，Braginskiii-MHD发电机在很大程度上类似于它的MHD对应物。相反，如果平行的粘性应力保持不变--这种情况与最近波动发电机的动力学模拟和磁化ICM中发电机的早期阶段有关--发电机改变其特性，放大磁场，同时表现出大普朗特数（${\rm Pm}\gtrsim{1}$）MHD发电机饱和状态的许多特性。我们构建了一个分析模型的Braginskiii-MHD发电机在这个政权，成功地匹配磁能谱。这个模型的预测，证实了我们的模拟，是一个Braginskiii-MHD等离子体没有压力各向异性限制器将不支持发电机，如果垂直和平行的粘度的比例太小。该比率反映了场线拉伸和混合的相对允许速率，后者促进了磁场的电阻耗散。在所有的情况下，确实表现出发电机，所产生的磁场被组织成褶皱，坚持到饱和状态和偏置的混沌流，以获得尺度相关的光谱各向异性。
2020-07-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
