晃动的宇宙：首次直接观测到长期理论等离子体的不稳定性

研究人员开发了一种突破性的测量技术，使用质子射线照相来观察等离子体与磁场的相互作用。这一发现可能有助于解码黑洞发出的星系间等离子体射流的形成，为宇宙现象提供新的理解。

揭开等离子体动力学的奥秘

无论是在星系之间还是在被称为托卡马克的甜甜圈形状的聚变装置中，被称为等离子体的带电物质的第四种状态经常会遇到强大的磁场，改变形状并在太空中晃动。现在，一项利用质子（亚原子粒子，构成原子核）的新测量技术首次捕捉到了这种晃动的细节，这可能为了解在恒星之间伸展的巨大等离子体射流的形成提供了线索。美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家们绘制了磁场向外弯曲的详细图片，这是由于等离子体膨胀产生的压力造成的。当等离子体推动磁场时，在边界处产生了被称为磁瑞利泰勒不稳定性的气泡和泡沫，形成了类似圆柱和蘑菇的结构。

磁场研究的突破

然后，随着等离子体能量的减少，磁力线迅速恢复到原来的位置。结果，等离子体被压缩成一个类似于等离子体射流的直线结构，等离子体射流可以从被称为黑洞的超高密度死恒星中流出，并延伸到星系大小的许多倍的距离。结果表明，这些喷流的成因仍然是个谜，可能是由本研究中观察到的相同压缩磁场形成的。

“当我们进行实验并分析数据时，我们发现了一些重要的东西，”PPPL研究物理学家、论文首席科学家索菲亚·马尔科（Sophia Malko）说。“长期以来，人们一直认为由等离子体和磁场相互作用引起的磁-瑞利-泰勒不稳定性会发生，但直到现在才直接观察到。这一观察有助于证实，当膨胀的等离子体遇到磁场时，这种不稳定性就会发生。我们不知道我们的诊断会有那么精确。我们整个团队都很激动！”

“这些实验表明，磁场对等离子体射流的形成非常重要，”PPPL研究物理学家、该研究的首席研究员威尔·福克斯（Will Fox）在《物理评论研究》上报告说。“现在我们可能已经了解了是什么产生了这些喷流，从理论上讲，我们可以研究巨大的天体物理喷流，并了解黑洞的一些情况。”

等离子体测量技术的创新

PPPL在开发和建造诊断、传感器方面拥有世界知名的专业知识，这些传感器可以在各种条件下测量等离子体的密度和温度等特性。这一成就是近年来实验室如何推进等离子体物理测量创新的几项成就之一。

研究小组改进了质子放射照相的测量技术，为这个实验创造了一种新的变化，可以进行极其精确的测量。为了制造等离子体，研究小组将强大的激光照射在一个小塑料圆盘上。为了产生质子，他们向一个装有各种氢和氦原子制成的燃料的胶囊发射了20束激光。随着燃料升温，聚变反应发生，产生了质子和被称为X射线的强光。

该团队还在太空舱附近安装了一张带有小孔的网片。当质子流过网孔时，流出的质子被分离成小而独立的光束，这些光束由于周围的磁场而弯曲。通过将扭曲的网格图像与X射线产生的未扭曲的图像进行比较，研究小组可以理解磁场是如何被膨胀的等离子体推动的，从而导致边缘的旋涡状不稳定。

咖啡牛奶

马尔科说：“我们观察到的就像你往咖啡里倒牛奶一样。在相互作用过程中，由于磁场的温度、密度和强度存在巨大差异，磁场与等离子体相遇的地方会形成许多结构。这是它们生长的理想之地。”

“我们的实验是独一无二的，因为我们可以直接看到磁场随时间的变化，”福克斯说。“我们可以直接观察到磁场是如何被推出来的，并以一种拔河的方式对等离子体做出反应。”

探索高能量密度等离子体

这些发现表明PPPL正在将其研究重点扩展到高能量密度（HED）等离子体。这种等离子体，就像在这个实验的燃料胶囊中产生的那样，比聚变实验中使用的等离子体更热、密度更大。“HED等离子体是等离子体物理学发展的一个令人兴奋的领域，”福克斯说。“这项工作是PPPL努力推进这一领域的一部分。结果表明，实验室可以创造先进的诊断方法，为我们提供对这种等离子体的新见解，这种等离子体可以用于激光聚变装置，也可以用于使用HED等离子体为微电子制造产生辐射的技术。”

福克斯说：“PPPL在磁化等离子体方面拥有丰富的知识和经验，可以为激光产生的HED等离子体领域做出贡献，并有助于做出重大贡献。”

PPPL负责战略和伙伴关系的实验室副主任兼副首席研究官劳拉·贝尔扎克·霍普金斯说：“HED科学是复杂的，迷人的，是理解广泛现象的关键。既要以可控的方式产生这些条件，又要开发用于精确测量的先进诊断方法，这是非常具有挑战性的。这些令人兴奋的结果证明了PPPL广泛的技术专长与创新方法相结合的影响。”

更多的实验和更好的模拟

研究人员计划在未来进行实验，以帮助改进膨胀等离子体的模型。“科学家们假设在这些情况下，密度和磁性直接变化，但事实证明这是不正确的，”马尔科说。

马尔科说：“现在我们已经非常准确地测量了这些不稳定性，我们有了改进模型所需的信息，并有可能比以前更高程度地模拟和理解天体物理喷流。有趣的是，人类可以在实验室里制造出通常存在于太空中的东西。”