研究人員利用了歐洲核子研究中心的HiRadMat設(shè)施和超級(jí)質(zhì)子同步加速器。

日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心的科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，利用超級(jí)質(zhì)子同步加速器制造出了等離子體"火球"。牛津大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)破解了困擾科學(xué)界已久的宇宙隱形磁場(chǎng)和伽馬射線消失之謎。牛津大學(xué)物理學(xué)系首席研究員賈恩盧卡·格雷戈里教授表示："我們的研究證明了實(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，從而增進(jìn)我們通過衛(wèi)星和地面望遠(yuǎn)鏡對(duì)天體物理對(duì)象的認(rèn)知。"

在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證兩種理論

這項(xiàng)研究旨在探究耀變體周邊的關(guān)鍵謎團(tuán)。耀變體是擁有向宇宙發(fā)射粒子噴流的超大質(zhì)量黑洞的活動(dòng)星系。這些噴流會(huì)產(chǎn)生能量極高的特高能伽馬射線，其在穿越太空時(shí)會(huì)形成電子-正電子對(duì)。這些粒子對(duì)應(yīng)該會(huì)散射宇宙微波背景輻射，隨后產(chǎn)生能量較低的甚高能伽馬射線。然而費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡等觀測(cè)設(shè)備始終未能探測(cè)到這些甚高能伽馬射線。

對(duì)于甚高能伽馬射線的消失，科學(xué)界主要有兩種假說：弱星系際磁場(chǎng)使粒子對(duì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)生的甚高能伽馬射線無法抵達(dá)地球；或者電子-正電子對(duì)束流在傳播過程中變得不穩(wěn)定，在甚高能伽馬射線產(chǎn)生之前就產(chǎn)生了耗散束流能量的內(nèi)部磁場(chǎng)。

研究人員利用歐洲核子研究中心的HiRadMat設(shè)施和超級(jí)質(zhì)子同步加速器產(chǎn)生電子-正電子對(duì)，并讓這些粒子對(duì)穿過等離子體，從而驗(yàn)證以上兩種理論。該實(shí)驗(yàn)成功構(gòu)建了耀變體噴流穿越太空的實(shí)驗(yàn)室尺度模型。為驗(yàn)證束流耗散理論，研究人員通過測(cè)量噴流束斑及其相關(guān)磁場(chǎng)特征，直接檢驗(yàn)了束流-等離子體不穩(wěn)定性的影響。

意外穩(wěn)定性指向原初磁場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎意料：粒子對(duì)束流始終保持狹窄且近乎平行，幾乎沒有出現(xiàn)發(fā)散或自生磁場(chǎng)的跡象。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果按宇宙學(xué)尺度放大表明，束流-等離子體不穩(wěn)定性不足以解釋甚高能伽馬射線的缺失。

這一結(jié)果直接支持了競爭性假說：宇宙中確實(shí)存在遺留的星系際磁場(chǎng)，其持續(xù)偏轉(zhuǎn)粒子對(duì)導(dǎo)致甚高能輻射未能抵達(dá)地球。英國科學(xué)技術(shù)設(shè)施委員會(huì)中央激光裝置與思克萊德大學(xué)的合作研究員鮑勃·賓厄姆教授指出："這些實(shí)驗(yàn)證明了實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)如何驗(yàn)證高能宇宙理論。通過在實(shí)驗(yàn)室重建相對(duì)論性等離子體環(huán)境，我們可以測(cè)量影響宇宙噴流演化的過程，從而更好地理解星系際空間磁場(chǎng)的起源。"

雖然破解了一個(gè)謎團(tuán)，但這項(xiàng)研究又帶來了新難題：如果星系際介質(zhì)存在磁場(chǎng)，在極度均勻的早期宇宙中它是如何產(chǎn)生的？研究人員提出，磁場(chǎng)起源的答案可能涉及標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理理論。即將建成的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列觀測(cè)站等設(shè)施將提供更高分辨率數(shù)據(jù)，用以檢驗(yàn)這些新理論，進(jìn)一步揭示磁性宇宙的奧秘。

該研究于11月3日發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。

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