科学家首次造出等离子体火球以破解太空磁场之谜

研究人员利用了欧洲核子研究中心的HiRadMat设施和超级质子同步加速器。

日内瓦欧洲核子研究中心的科学家首次在实验室环境下，利用超级质子同步加速器制造出了等离子体"火球"。牛津大学领导的国际科研团队通过实验破解了困扰科学界已久的宇宙隐形磁场和伽马射线消失之谜。牛津大学物理学系首席研究员贾恩卢卡·格雷戈里教授表示："我们的研究证明了实验室实验如何帮助弥合理论与观测之间的差距，从而增进我们通过卫星和地面望远镜对天体物理对象的认知。"

在实验室验证两种理论

这项研究旨在探究耀变体周边的关键谜团。耀变体是拥有向宇宙发射粒子喷流的超大质量黑洞的活动星系。这些喷流会产生能量极高的特高能伽马射线，其在穿越太空时会形成电子-正电子对。这些粒子对应该会散射宇宙微波背景辐射，随后产生能量较低的甚高能伽马射线。然而费米望远镜等观测设备始终未能探测到这些甚高能伽马射线。

对于甚高能伽马射线的消失，科学界主要有两种假说：弱星系际磁场使粒子对发生偏转，导致产生的甚高能伽马射线无法抵达地球；或者电子-正电子对束流在传播过程中变得不稳定，在甚高能伽马射线产生之前就产生了耗散束流能量的内部磁场。

研究人员利用欧洲核子研究中心的HiRadMat设施和超级质子同步加速器产生电子-正电子对，并让这些粒子对穿过等离子体，从而验证以上两种理论。该实验成功构建了耀变体喷流穿越太空的实验室尺度模型。为验证束流耗散理论，研究人员通过测量喷流束斑及其相关磁场特征，直接检验了束流-等离子体不稳定性的影响。

意外稳定性指向原初磁场

实验结果出乎意料：粒子对束流始终保持狭窄且近乎平行，几乎没有出现发散或自生磁场的迹象。将实验结果按宇宙学尺度放大表明，束流-等离子体不稳定性不足以解释甚高能伽马射线的缺失。

这一结果直接支持了竞争性假说：宇宙中确实存在遗留的星系际磁场，其持续偏转粒子对导致甚高能辐射未能抵达地球。英国科学技术设施委员会中央激光装置与思克莱德大学的合作研究员鲍勃·宾厄姆教授指出："这些实验证明了实验室天体物理学如何验证高能宇宙理论。通过在实验室重建相对论性等离子体环境，我们可以测量影响宇宙喷流演化的过程，从而更好地理解星系际空间磁场的起源。"

虽然破解了一个谜团，但这项研究又带来了新难题：如果星系际介质存在磁场，在极度均匀的早期宇宙中它是如何产生的？研究人员提出，磁场起源的答案可能涉及标准模型之外的新物理理论。即将建成的切伦科夫望远镜阵列观测站等设施将提供更高分辨率数据，用以检验这些新理论，进一步揭示磁性宇宙的奥秘。

该研究于11月3日发表在《美国国家科学院院刊》上。

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