由英國(guó)牛津大學(xué)領(lǐng)銜的國(guó)際團(tuán)隊(duì)利用歐洲核子研究中心（CERN）的超級(jí)質(zhì)子同步加速器，首次在實(shí)驗(yàn)室制造出等離子體“火球”，模擬了類星體耀變體噴流在星際空間傳播的過程，為破解宇宙中“消失的伽馬射線”之謎提供了新線索。相關(guān)成果發(fā)表于新一期《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。
模擬初始均勻的電子和正電子束與等離子體相互作用的過程。當(dāng)電子束穿過背景等離子體時(shí)，正電子（紅色）逐漸聚焦，而電子（藍(lán)色）則擴(kuò)散形成周圍的電子云。這展示了“電流絲狀不穩(wěn)定性”背后的物理機(jī)制，該機(jī)制被認(rèn)為在宇宙噴流的傳播和動(dòng)力學(xué)中起著關(guān)鍵作用。該模擬使用OSIRIS 粒子網(wǎng)格法代碼完成，是迄今為止針對(duì)此類噴流—等離子體相互作用進(jìn)行的最大規(guī)模模擬之一。圖片來源：葡萄牙里斯本技術(shù)大學(xué)和英國(guó)牛津大學(xué)
耀變體是一類由超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)星系，會(huì)向地球方向噴射出狹窄、接近光速的粒子與輻射束，產(chǎn)生極強(qiáng)的伽馬射線，能量可達(dá)數(shù)太電子伏（TeV）。理論上，這些高能伽馬射線在穿越星際空間時(shí)，會(huì)與恒星背景光發(fā)生散射，生成電子—正電子對(duì)。隨后，這些粒子對(duì)應(yīng)當(dāng)與宇宙微波背景相互作用，產(chǎn)生能量較低的伽馬射線，但迄今為止，這些低能伽馬射線始終未被衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到。
科學(xué)家長(zhǎng)期困惑于這一現(xiàn)象。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，這些電子—正電子對(duì)被極其微弱的星際磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致伽馬射線偏離視線；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，粒子束在穿越稀薄星際介質(zhì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性，擾動(dòng)電流進(jìn)而生成磁場(chǎng)，使粒子束能量耗散。
為驗(yàn)證這些觀點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)在CERN的高輻射材料實(shí)驗(yàn)設(shè)施中，利用超級(jí)質(zhì)子同步加速器產(chǎn)生電子—正電子對(duì)，并讓它們穿過一米長(zhǎng)的等離子體，構(gòu)建出類星體噴流在星際空間傳播的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｍㄟ^精確測(cè)量粒子束形態(tài)及磁場(chǎng)信號(hào)，研究人員首次在實(shí)驗(yàn)室中直接檢驗(yàn)了“噴流—等離子體不穩(wěn)定性”是否足以破壞噴流結(jié)構(gòu)。
安裝在高輻射材料實(shí)驗(yàn)設(shè)施輻照區(qū)的火球?qū)嶒?yàn)裝置。圖片來源：美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)優(yōu)瑞科網(wǎng)站實(shí)驗(yàn)顯示，粒子束始終保持狹窄、幾乎平行的形態(tài)，幾乎沒有出現(xiàn)顯著擾動(dòng)或自發(fā)磁場(chǎng)。團(tuán)隊(duì)據(jù)此推斷，在天體尺度上，這種不穩(wěn)定性效應(yīng)過弱，無法解釋缺失的低能伽馬射線。這一結(jié)論反而強(qiáng)化了另一種解釋，即宇宙中確實(shí)存在極其微弱的星際磁場(chǎng)，它們可能是早期宇宙遺留下的“原初磁場(chǎng)”。
通過在地球上模擬極端物理?xiàng)l件，得以驗(yàn)證宇宙尺度下的過程，這是理解高能天體噴流及磁場(chǎng)起源的重要一步。
宇宙早期極為均勻，磁場(chǎng)的種子機(jī)制仍不明確，可能涉及超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。未來，切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列天文臺(tái)等新一代觀測(cè)設(shè)施有望提供更高分辨率的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證這一理論。
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