由英国牛津大学领衔的国际团队利用欧洲核子研究中心(CERN)的超级质子同步加速器，首次在实验室制造出等离子体“火球”，模拟了类星体耀变体喷流在星际空间传播的过程，为破解宇宙中“消失的伽马射线”之谜提供了新线索。相关成果发表于新一期《美国国家科学院院刊》。
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喷流—等离子体相互作用进行的最大规模模拟之一。图片来源：葡萄牙里斯本技术大学和英国牛津大学
耀变体是一类由超大质量黑洞驱动的活动星系，会向地球方向喷射出狭窄、接近光速的粒子与辐射束，产生极强的伽马射线，能量可达数太电子伏(TeV)。理论上，这些高能伽马射线在穿越星际空间时，会与恒星背景光发生散射，生成电子—正电子对。随后，这些粒子对应当与宇宙微波背景相互作用，产生能量较低的伽马射线，但迄今为止，这些低能伽马射线始终未被卫星望远镜探测到。
科学家长期困惑于这一现象。一种观点认为，这些电子—正电子对被极其微弱的星际磁场偏转，导致伽马射线偏离视线;另一种观点则认为，粒子束在穿越稀薄星际介质时会出现不稳定性，扰动电流进而生成磁场，使粒子束能量耗散。
为验证这些观点，研究团队在CERN的高辐射材料实验设施中，利用超级质子同步加速器产生电子—正电子对，并让它们穿过一米长的等离子体，构建出类星体喷流在星际空间传播的实验模型。通过精确测量粒子束形态及磁场信号，研究人员首次在实验室中直接检验了“喷流—等离子体不稳定性”是否足以破坏喷流结构。
安装在高辐射材料实验设施辐照区的火球实验装置。图片来源：美国科学促进会优瑞科网站
实验显示，粒子束始终保持狭窄、几乎平行的形态，几乎没有出现显著扰动或自发磁场。团队据此推断，在天体尺度上，这种不稳定性效应过弱，无法解释缺失的低能伽马射线。这一结论反而强化了另一种解释，即宇宙中确实存在极其微弱的星际磁场，它们可能是早期宇宙遗留下的“原初磁场”。
通过在地球上模拟极端物理条件，得以验证宇宙尺度下的过程，这是理解高能天体喷流及磁场起源的重要一步。
宇宙早期极为均匀，磁场的种子机制仍不明确，可能涉及超越标准模型的新物理。未来，切伦科夫望远镜阵列天文台等新一代观测设施有望提供更高分辨率的数据，进一步验证这一理论。
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