震驚！科學家在實驗室成功培育出黑洞噴流

一項利用質子束來探究等離子體與磁場相互作用方式的實驗，或許剛剛解開了類星體及其他活躍的超大質量黑洞如何釋放相對論性噴流這一謎團。

讓咱們想象一下類星體核心的情形。一個超大質量的黑洞，或許其質量是我們太陽的數億甚至數十億倍，正在貪婪地吞噬着從螺旋狀的超熱盤中流入其大口的物質。這種帶電物質被稱作等離子體，並且它受引力作用被吸往黑洞周圍——然而，並非所有由電離或帶電、失去電子的原子組成的等離子體都被黑洞吞噬。實際上，黑洞貪心不足，一些等離子體還沒到達接近 事件視界（基本上就是有去無回的點），就被黑洞強大的磁場以噴流的形式噴出並校準了方向。

這些噴流能夠延伸數千光年至太空。然而，解釋在噴流底部，即它們形成的地方所發生的物理現象，一直困擾着科學家。

答案或許出自新澤西州普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究人員之手，他們成功地對一種名爲質子射線照相的等離子體測量技術做出了改進。

在他們所做的實驗中，研究人員先是向一個塑料靶發射脈衝的、能量爲 20 焦耳的激光束，從而創建出一個高能量密度的等離子體。

接着，他們利用強大的激光在裝滿氘和氦 - 3 的燃料膠囊裡引發核聚變。核聚變反應會釋放出質子和 X 射線的爆發。

然後，這些質子和 X 射線穿過一個佈滿小孔的鎳網。可以把這個網想象成一個用於過濾意大利麪的漏勺；它將質子過濾成許多離散的束，這些束隨後能夠測量膨脹的等離子體羽流如何與背景磁場相互作用。由於質子帶電，當它們受到等離子體的衝擊時，就會沿着磁力線運動。X 射線爆發起到了檢查的作用——因爲 X 射線能毫無阻礙地穿過網和磁場，所以它們提供了等離子體未失真的圖像，以與質子束測量結果作比較。

“我們的實驗是獨一無二的，因爲我們可以直接看到磁場隨時間的變化，”該實驗的首席研究員威爾·福克斯在一份聲明中說道。“我們能夠直接觀察到磁場是怎樣被推出的，以及它在一種類似拔河的過程中對等離子體作出的反應。”

他們詳細地觀察到，在膨脹的等離子體的壓力作用下，磁場向外彎曲，而等離子體在磁場線中來回晃動。這種等離子體的冒泡和起沫現象被稱爲磁瑞利-泰勒不穩定性，它在磁場中造就了看起來像漩渦和蘑菇的形狀。至關重要的是，隨着等離子體能量的降低，磁場線能夠彈回。這把等離子體壓縮成了一個筆直且狹窄的柱體，跟類星體的相對論性噴流沒什麼不同。

“當我們開展實驗並對數據加以分析時，我們有了重大發現，”PPPL 的索菲亞·馬爾科（Sophia Malko）說。“長期以來，人們一直認爲等離子體與磁場相互作用會產生磁瑞利泰勒不穩定性，然而直到現在才得以直接觀測到。這一觀察有助於證實，當膨脹的等離子體遇到磁場時，這種不穩定性就會發生。”

該實驗有力地表明，類星體噴流的形成得益於這種磁場對膨脹等離子體的作用。倘若這些結果是活躍黑洞周邊所發生情形的一個快照，那就意味着，在黑洞的吸積盤中，條件變得極爲強烈，以至於盤中的等離子體能夠與緊密排列的磁力線相抗衡。隨後磁力線會回彈，並將等離子體推成一個狹窄的柱體，近乎將其從黑洞中噴射而出。要是這是真的，這或許是我們對於活躍黑洞如何運行的認知中所缺失的一個重要部分。

“既然我們已經把這些不穩定性測量得非常精確，我們就擁有了改進模型所需的信息，並且有可能比之前在更高程度上模擬和理解天體物理射流，”馬爾科說。“有趣的是，人類可以在實驗室中製造出通常存在於太空中的東西。”

研究結果於 6 月 27 日發表於《物理評論研究》雜誌。