物理学家发现了宇宙等离子体新平衡态——“双螺旋”结构

加州理工学院的实验在等离子体磁通量绳中揭示出稳定的双螺旋状态，该原理同样适用于解释双螺旋星云等宇宙结构。

通过对太阳外层大气的研究，加州理工学院应用物理学教授保罗·贝兰及其博士生张杨（2024届博士）发现了一种前所未有的磁场与等离子体平衡态。太阳最外层大气日冕的密度虽远低于太阳表面，温度却高达百万倍。

该区域由强磁场主导，其中禁锢着由带电粒子（电子和离子）组成的高温混合物 —— 等离子体。这种被命名为"双螺旋"的新平衡态不仅存在于日冕，也出现在更大尺度的宇宙系统中，包括银河系中心附近的双螺旋星云。

耀斑等太阳活动常呈现磁通量绳形态，即充满等离子体的扭曲磁管。可将磁通量绳想象成充满等离子体、缠绕螺旋条纹的花园软管：沿软管流动的电流形成螺旋状环绕的磁场。由于等离子体携带电荷，既能传导电流又与磁场"冻结"在一起。

这些磁通量绳的尺度跨度惊人 —— 从实验室装置到绵延数十万公里的太阳耀斑。在天体物理领域，类似的绳状结构可延伸数百乃至数千光年。

实验室制造等离子体编织结构

在大型真空腔内，贝兰与张杨（现为普林斯顿大学NASA杰克·埃迪博士后研究员）创造了仅10至50厘米长的微型太阳耀斑。张杨描述道："真空腔内的两个电极由线圈产生跨电极磁场，施加高压电离中性气体形成等离子体后，磁化等离子体会自动形成编织结构。"

实验中两条磁通量绳缠绕形成双螺旋结构。值得注意的是，这种编织结构具有自稳定性 —— 既能保持形态又不收紧或散开。张杨与贝兰在近期论文中证明，这种平衡态可通过数学方式精确描述与预测。

虽然单磁通量绳的物理特性已有详实记录，但人们对编织磁通量绳（尤其是双股电流同向流动时）知之甚少。先前研究主要模拟电流反向流动的情况，但这在天体物理环境中实属罕见。

同向电流模式特别值得关注，因为理论上它易受环向力导致的扭结或膨胀变形 —— 科学家已在太阳编织结构和实验室等离子体中观察到该现象。反之，当电流反向流动（"零净电流"状态）时则不会出现这种变形。

重新审视合并假设

过去科学家认为，同向电流的编织磁通量绳总会合并，因为平行电流会相互磁吸引。但2010年洛斯阿拉莫斯国家实验室发现，此类磁通量绳靠近时反而会相互弹开。

"编织磁通量绳的相互作用显然更为复杂，现在我们揭示了其机理。"贝兰解释道，"当两条螺旋导线相互缠绕形成编织结构时（如我们实验室所见），沿导线长度方向的分电流相互平行产生吸引，而缠绕方向的分电流则反向平行产生排斥。这种吸引与排斥的共存意味着存在临界螺旋角使力达到平衡。若螺旋角过小则磁斥力过强，过大则磁吸力过强，唯有在临界扭曲角度才能达到最低能态即平衡。"

构建数学模型

接下来的任务是构建该行为的数学模型 —— 这是前所未有的工作。张杨运用贝兰所称的"暴力数学"方法，建立了一套适用于多种配置（包括编织绳）的通量管方程组，证明确实存在吸引与排斥力相互平衡的状态。"更意外的是，张杨能计算通量绳内外磁场、内部电流与压强，"贝兰补充道，"让我们全面了解这些编织结构的行为。"

张杨用距离地球2.5万光年、跨度70光年的双螺旋星云验证数学模型，测试方程是否既能描述实验室微小结构也能解释天体大尺度现象。"令人惊叹的是，张杨无需详细了解星云详情，"贝兰指出，"仅通过天文可观测的股线直径和扭曲周期参数，他就能预测平衡态所需的扭曲角度，且与观测结果一致。这项研究最激动人心之处在于磁流体动力学理论具有惊人的可扩展性 —— 不同尺度的磁结构现象不仅定性相似，更能用同一组方程描述。实验室实验、太阳观测与天体物理现象竟遵循着相同的数学规律。"

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