科學家首次造出等離子體火球以破解太空磁場之謎

研究人員利用了歐洲核子研究中心的HiRadMat設施和超級質子同步加速器。

日內瓦歐洲核子研究中心的科學家首次在實驗室環境下，利用超級質子同步加速器制造出了等離子體"火球"。牛津大學領導的國際科研團隊通過實驗破解了困擾科學界已久的宇宙隱形磁場和伽馬射線消失之謎。牛津大學物理學系首席研究員賈恩盧卡·格雷戈里教授表示："我們的研究證明了實驗室實驗如何幫助彌合理論與觀測之間的差距，從而增進我們通過衛星和地面望遠鏡對天體物理對象的認知。"

在實驗室驗證兩種理論

這項研究旨在探究耀變體周邊的關鍵謎團。耀變體是擁有向宇宙發射粒子噴流的超大質量黑洞的活動星系。這些噴流會產生能量極高的特高能伽馬射線，其在穿越太空時會形成電子-正電子對。這些粒子對應該會散射宇宙微波背景輻射，隨后產生能量較低的甚高能伽馬射線。然而費米望遠鏡等觀測設備始終未能探測到這些甚高能伽馬射線。

對于甚高能伽馬射線的消失，科學界主要有兩種假說：弱星系際磁場使粒子對發生偏轉，導致產生的甚高能伽馬射線無法抵達地球；或者電子-正電子對束流在傳播過程中變得不穩定，在甚高能伽馬射線產生之前就產生了耗散束流能量的內部磁場。

研究人員利用歐洲核子研究中心的HiRadMat設施和超級質子同步加速器產生電子-正電子對，并讓這些粒子對穿過等離子體，從而驗證以上兩種理論。該實驗成功構建了耀變體噴流穿越太空的實驗室尺度模型。為驗證束流耗散理論，研究人員通過測量噴流束斑及其相關磁場特征，直接檢驗了束流-等離子體不穩定性的影響。

意外穩定性指向原初磁場

實驗結果出乎意料：粒子對束流始終保持狹窄且近乎平行，幾乎沒有出現發散或自生磁場的跡象。將實驗結果按宇宙學尺度放大表明，束流-等離子體不穩定性不足以解釋甚高能伽馬射線的缺失。

這一結果直接支持了競爭性假說：宇宙中確實存在遺留的星系際磁場，其持續偏轉粒子對導致甚高能輻射未能抵達地球。英國科學技術設施委員會中央激光裝置與思克萊德大學的合作研究員鮑勃·賓厄姆教授指出："這些實驗證明了實驗室天體物理學如何驗證高能宇宙理論。通過在實驗室重建相對論性等離子體環境，我們可以測量影響宇宙噴流演化的過程，從而更好地理解星系際空間磁場的起源。"

雖然破解了一個謎團，但這項研究又帶來了新難題：如果星系際介質存在磁場，在極度均勻的早期宇宙中它是如何產生的？研究人員提出，磁場起源的答案可能涉及標準模型之外的新物理理論。即將建成的切倫科夫望遠鏡陣列觀測站等設施將提供更高分辨率數據，用以檢驗這些新理論，進一步揭示磁性宇宙的奧秘。

該研究于11月3日發表在《美國國家科學院院刊》上。

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