CERN等离子体"火球"或可解释宇宙中消失的光

实验室制造出的宇宙火球表明，远古磁场可能塑造了宇宙中消失的光。

由牛津大学领导的国际科学家团队在实验室环境下制造出等离子体"火球"，取得了世界首次突破。研究人员利用位于日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）超级质子同步加速器，旨在探究来自耀变体的等离子体喷流在穿越太空时的行为。

他们的研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，为天文学中长期存在的谜团——涉及消失的伽马射线和宇宙中难以捉摸的磁场——提供了新的见解。

耀变体与极端伽马射线辐射

耀变体是高度活跃的星系，由位于其中心的超大质量黑洞提供能量。这些黑洞喷射出以近光速运动的狭窄粒子束和辐射流，在某些情况下，这些喷流会直接指向地球。

这些喷流释放出巨量的伽马辐射，能量可达数万亿电子伏特，并由地基望远镜观测到。当这些高能伽马射线穿过星系际空间时，会与背景中的微弱星光发生碰撞。这种相互作用会产生级联的电子-正电子对。

科学家们预期这些粒子会与宇宙微波背景相互作用，并产生能量较低（在GeV范围）的伽马射线。然而，费米卫星等伽马射线空间观测站并未探测到这一预期信号。迄今为止，造成这种差异的原因尚不清楚。

两种相互竞争的解释

一种可能的解释是，散布在星系之间的弱磁场会使电子-正电子对发生偏转，导致产生的伽马射线完全错过了地球。

另一种观点来自等离子体物理学。该假说认为，当粒子束穿过星系际空间中极其稀薄的物质时，会变得不稳定。束流内部的小扰动可能会产生电流和磁场，从而放大不稳定性并耗散喷流的能量。

在CERN模拟耀变体环境

为了确定哪种解释更可能成立，研究人员在CERN的高辐射材料（HiRadMat）设施进行了一项实验。该项目由牛津大学和英国科学与技术设施委员会（STFC）中央激光实验室（CLF）合作完成。

研究团队利用超级质子同步加速器，制造出电子-正电子对束流，并让它们穿过一米长的等离子体区域。这一设置为模拟耀变体喷流穿过星系际等离子体所产生的粒子级联过程，提供了一个按比例缩放的实验室版本。

通过仔细测量束流的形状及其相关的磁场，科学家们能够直接测试等离子体不稳定性是否会干扰束流的传播。

稳定的束流挑战等离子体不稳定性理论

结果令研究人员感到惊讶。粒子束流没有扩散或分裂，而是保持狭窄且几乎完全平行的状态。它也很少显示出产生自身磁场的迹象。

当这些结果外推至天体物理学所涉及的浩瀚距离时，表明束流-等离子体不稳定性过于微弱，无法解释缺失的GeV伽马射线。这加强了宇宙早期可能已存在星系际磁场的观点。

连接实验与观测

首席研究员、牛津大学物理系吉安卢卡·格雷戈里教授表示："我们的研究表明，实验室实验如何帮助弥合理论与观测之间的差距，增进我们通过卫星和地基望远镜对天体物理对象的理解。它还凸显了全球实验设施之间合作的重要性，特别是在突破极限、探索日益极端的物理状态方面。"

关于早期宇宙的未解之谜

尽管取得了进展，这些发现也带来了新的挑战。科学家们认为早期宇宙是极其均匀的，这使得普遍存在的磁场起源难以解释。研究人员认为，解决这个问题可能需要超越标准模型的物理学。

包括切伦科夫望远镜阵列观测台在内的未来仪器，预计将提供更精确的观测数据，有助于检验这些想法并完善当前的理论。

实验室天体物理学与全球合作

联合研究员、STFC中央激光实验室和斯特拉斯克莱德大学的鲍勃·宾厄姆教授表示："这些实验展示了实验室天体物理学如何能够检验高能宇宙的理论。通过在实验室中重现相对论性等离子体条件，我们可以测量塑造宇宙喷流演化的过程，并更好地理解星系际空间磁场的起源。"

联合研究员、牛津大学物理系的苏比尔·萨卡尔教授表示："能够参与这样一项创新实验是件非常有趣的事，它为CERN正在进行的前沿研究增添了新维度——希望我们引人注目的成果能够引起等离子体（天体）物理学界的兴趣，关注在陆地高能物理实验室中探索基础宇宙问题的可能性。"

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