CERN等離子體"火球"或可解釋宇宙中消失的光

實(shí)驗(yàn)室制造出的宇宙火球表明，遠(yuǎn)古磁場(chǎng)可能塑造了宇宙中消失的光。

由牛津大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下制造出等離子體"火球"，取得了世界首次突破。研究人員利用位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（CERN）超級(jí)質(zhì)子同步加速器，旨在探究來(lái)自耀變體的等離子體噴流在穿越太空時(shí)的行為。

他們的研究成果發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上，為天文學(xué)中長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)——涉及消失的伽馬射線和宇宙中難以捉摸的磁場(chǎng)——提供了新的見(jiàn)解。

耀變體與極端伽馬射線輻射

耀變體是高度活躍的星系，由位于其中心的超大質(zhì)量黑洞提供能量。這些黑洞噴射出以近光速運(yùn)動(dòng)的狹窄粒子束和輻射流，在某些情況下，這些噴流會(huì)直接指向地球。

這些噴流釋放出巨量的伽馬輻射，能量可達(dá)數(shù)萬(wàn)億電子伏特，并由地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。當(dāng)這些高能伽馬射線穿過(guò)星系際空間時(shí)，會(huì)與背景中的微弱星光發(fā)生碰撞。這種相互作用會(huì)產(chǎn)生級(jí)聯(lián)的電子-正電子對(duì)。

科學(xué)家們預(yù)期這些粒子會(huì)與宇宙微波背景相互作用，并產(chǎn)生能量較低（在GeV范圍）的伽馬射線。然而，費(fèi)米衛(wèi)星等伽馬射線空間觀測(cè)站并未探測(cè)到這一預(yù)期信號(hào)。迄今為止，造成這種差異的原因尚不清楚。

兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的解釋

一種可能的解釋是，散布在星系之間的弱磁場(chǎng)會(huì)使電子-正電子對(duì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)生的伽馬射線完全錯(cuò)過(guò)了地球。

另一種觀點(diǎn)來(lái)自等離子體物理學(xué)。該假說(shuō)認(rèn)為，當(dāng)粒子束穿過(guò)星系際空間中極其稀薄的物質(zhì)時(shí)，會(huì)變得不穩(wěn)定。束流內(nèi)部的小擾動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)，從而放大不穩(wěn)定性并耗散噴流的能量。

在CERN模擬耀變體環(huán)境

為了確定哪種解釋更可能成立，研究人員在CERN的高輻射材料（HiRadMat）設(shè)施進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)目由牛津大學(xué)和英國(guó)科學(xué)與技術(shù)設(shè)施委員會(huì)（STFC）中央激光實(shí)驗(yàn)室（CLF）合作完成。

研究團(tuán)隊(duì)利用超級(jí)質(zhì)子同步加速器，制造出電子-正電子對(duì)束流，并讓它們穿過(guò)一米長(zhǎng)的等離子體區(qū)域。這一設(shè)置為模擬耀變體噴流穿過(guò)星系際等離子體所產(chǎn)生的粒子級(jí)聯(lián)過(guò)程，提供了一個(gè)按比例縮放的實(shí)驗(yàn)室版本。

通過(guò)仔細(xì)測(cè)量束流的形狀及其相關(guān)的磁場(chǎng)，科學(xué)家們能夠直接測(cè)試等離子體不穩(wěn)定性是否會(huì)干擾束流的傳播。

穩(wěn)定的束流挑戰(zhàn)等離子體不穩(wěn)定性理論

結(jié)果令研究人員感到驚訝。粒子束流沒(méi)有擴(kuò)散或分裂，而是保持狹窄且?guī)缀跬耆叫械臓顟B(tài)。它也很少顯示出產(chǎn)生自身磁場(chǎng)的跡象。

當(dāng)這些結(jié)果外推至天體物理學(xué)所涉及的浩瀚距離時(shí)，表明束流-等離子體不穩(wěn)定性過(guò)于微弱，無(wú)法解釋缺失的GeV伽馬射線。這加強(qiáng)了宇宙早期可能已存在星系際磁場(chǎng)的觀點(diǎn)。

連接實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)

首席研究員、牛津大學(xué)物理系吉安盧卡·格雷戈里教授表示："我們的研究表明，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)如何幫助彌合理論與觀測(cè)之間的差距，增進(jìn)我們通過(guò)衛(wèi)星和地基望遠(yuǎn)鏡對(duì)天體物理對(duì)象的理解。它還凸顯了全球?qū)嶒?yàn)設(shè)施之間合作的重要性，特別是在突破極限、探索日益極端的物理狀態(tài)方面。"

關(guān)于早期宇宙的未解之謎

盡管取得了進(jìn)展，這些發(fā)現(xiàn)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。科學(xué)家們認(rèn)為早期宇宙是極其均勻的，這使得普遍存在的磁場(chǎng)起源難以解釋。研究人員認(rèn)為，解決這個(gè)問(wèn)題可能需要超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)。

包括切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列觀測(cè)臺(tái)在內(nèi)的未來(lái)儀器，預(yù)計(jì)將提供更精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，有助于檢驗(yàn)這些想法并完善當(dāng)前的理論。

實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)與全球合作

聯(lián)合研究員、STFC中央激光實(shí)驗(yàn)室和斯特拉斯克萊德大學(xué)的鮑勃·賓厄姆教授表示："這些實(shí)驗(yàn)展示了實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)如何能夠檢驗(yàn)高能宇宙的理論。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)相對(duì)論性等離子體條件，我們可以測(cè)量塑造宇宙噴流演化的過(guò)程，并更好地理解星系際空間磁場(chǎng)的起源。"

聯(lián)合研究員、牛津大學(xué)物理系的蘇比爾·薩卡爾教授表示："能夠參與這樣一項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是件非常有趣的事，它為CERN正在進(jìn)行的前沿研究增添了新維度——希望我們引人注目的成果能夠引起等離子體（天體）物理學(xué)界的興趣，關(guān)注在陸地高能物理實(shí)驗(yàn)室中探索基礎(chǔ)宇宙問(wèn)題的可能性。"

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