欧洲核子研究中心产生等离子体“火球”，可以解释宇宙中缺失的光

在欧洲核子研究中心地下深处的超级质子同步加速器中，科学家们做了一件听起来像科幻小说的事情：他们制造出了模拟宇宙极端环境的等离子体"火球"。这个突破性实验不仅创造了世界纪录，还为解开困扰天文学界多年的一个谜题提供了关键线索，那就是宇宙中为什么缺失了大量本该存在的低能伽马射线。

由牛津大学领导的国际研究团队在《美国国家科学院院刊》上发表的最新研究显示，答案很可能指向一个更深层的秘密：星系际空间弥漫着起源于早期宇宙的原初磁场。

从耀变体到消失的辐射

故事要从耀变体说起。这些由超大质量黑洞驱动的极端活跃星系能够喷射出以接近光速运动的狭窄粒子束，有些甚至直接对准地球。这些喷流释放出能量高达数万亿电子伏特的超高能伽马射线，地面的切伦科夫望远镜可以清晰探测到这些辐射信号。

模拟初始均匀的电子和正电子束与等离子体相互作用的过程。当电子束穿过背景等离子体时，正电子（红色）逐渐聚焦，而电子（蓝色）则扩散形成周围的电子云。这展示了“电流丝状不稳定性”背后的物理机制，该机制被认为在宇宙喷流的传播和动力学中起着关键作用。该模拟使用 OSIRIS 粒子网格法代码完成，是迄今为止针对此类束-等离子体相互作用进行的最大规模模拟之一。图片来源：Pablo J. Bilbao 和 Luís O. Silva（里斯本高等技术学院 GoLP 和牛津大学）

按照标准物理学理论，当这些高能伽马射线穿越数十亿光年的星系际空间时，会与弥漫在宇宙中的微弱星光发生碰撞，产生大量的电子正电子对。这些粒子对随后应该与宇宙微波背景辐射相互作用，产生能量在十亿电子伏特量级的次级伽马射线。这个过程被称为电磁级联，理论预测应该产生可观的低能伽马射线流量。

然而现实却让人困惑。费米伽马射线太空望远镜等高灵敏度仪器并没有探测到这些预期中的低能伽马射线信号，就好像它们在途中神秘消失了一样。

两种竞争性的理论试图解释这个怪异现象。一种观点认为，星系际空间存在微弱但广泛分布的磁场，这些磁场会偏转电子正电子对的运动方向，使产生的次级伽马射线完全避开地球的视线。另一种观点来自等离子体物理学，认为粒子束在穿过极其稀薄的星际物质时会因为等离子体不稳定性而分散和失去能量，从而无法产生足够的次级辐射。

安装在 HiRadMat 辐照区的火球实验装置。图片来源：Gianluca Gregori

在地球上重现宇宙极端条件

为了判断哪种理论正确，研究团队在欧洲核子研究中心的HiRadMat设施上进行了一项雄心勃勃的实验。他们利用超级质子同步加速器产生高能质子束，通过特殊设计的靶材将其转化为电子正电子对束流，然后让这束粒子穿过长达一米的等离子体区域。

这个设置本质上是将耀变体喷流与星系际等离子体的相互作用缩小到实验室尺度。通过精密测量粒子束的空间分布和伴随产生的磁场强度，科学家们能够直接检验等离子体不稳定性是否真的会扰乱粒子束的传播。

牛津大学物理系教授詹卢卡·格雷戈里是这项研究的首席研究员。他和团队成员在控制室紧张地监控着每一个数据点，当结果出现时，他们发现了一些出乎意料的现象。

粒子束保持了惊人的稳定性。它既没有像等离子体不稳定性理论预测的那样扩散分裂，也几乎没有产生自生成的磁场。束流在穿过整个等离子体区域后依然狭窄而平行，就像一道激光束穿过透明介质。

指向原初宇宙磁场的证据

欧洲核子研究中心控制中心团队正在操作“火球”实验。图片来源：Subir Sarkar

当研究人员将实验结果外推到天体物理学涉及的真实尺度时，结论变得清晰起来：束流等离子体不稳定性的效应太弱，不足以解释缺失的低能伽马射线。这一发现有力地支持了星系际磁场存在的理论，意味着宇宙空间并非真空一片，而是充满了微弱但无处不在的磁场。

这些磁场的存在引出了一个更深刻的问题：它们从何而来？根据宇宙学观测，早期宇宙在大尺度上极其均匀，缺乏能够产生广泛磁场的明显机制。现有的标准宇宙学模型难以解释如此大范围的磁场起源，这暗示可能需要超越标准模型的新物理学。

一些理论认为这些原初磁场可能产生于宇宙极早期的相变过程，比如电弱相变或更早的对称性破缺阶段。另一些模型则指向宇宙暴胀时期的量子涨落被放大到宏观尺度的可能性。费米卫星的最新观测数据显示，星系际磁场强度至少达到百万分之一高斯量级，对应的相干长度可达百万光年尺度，这与早期宇宙起源的预测相符。

英国科学技术设施委员会中央激光设施的鲍勃·宾厄姆教授强调，这项实验展示了实验室天体物理学的强大能力。通过在可控环境中重现相对论性等离子体条件，研究人员能够直接测试塑造宇宙喷流演化的基本过程，为纯理论推测提供坚实的实验支撑。

未来观测的新窗口

虽然MicroBooNE实验提供了重要线索，但完整解开这个谜题还需要更多观测数据。即将建成的切伦科夫望远镜阵列天文台具有比现有仪器高十倍的灵敏度，能够探测更暗弱的伽马射线源并绘制更精细的能谱。这将为验证星系际磁场理论提供决定性的观测证据。

同时，新一代空间伽马射线望远镜也在规划之中，它们将填补费米卫星在某些能段的观测空白。如果能够在特定耀变体方向上探测到微弱的次级伽马射线信号，就可以直接推断磁场的强度和结构。

牛津大学的苏比尔·萨卡尔教授对这项研究充满热情。他表示，能够参与这样一项创新实验是非常激动人心的经历，它为欧洲核子研究中心的科研活动增添了全新维度，让高能物理实验室成为探索基本宇宙问题的新平台。

从实验室制造的等离子体火球到横跨宇宙的磁场网络，这项研究再次证明，理解宇宙的钥匙有时就藏在我们脚下的地球实验室中。