震驚！美國覈實驗模擬黑洞噴射等離子體射流

研究人員已研發出一種全新技術，能夠捕獲託卡馬克裝置內等離子體改變形狀以及在太空中晃盪的細節。

這種新的測量技術運用質子，研究人員覺得它還揭示了宇宙中恆星之間巨大等離子體射流的形成。

在這種呈甜甜圈形狀的核聚變裝置——也被稱作託卡馬克——內部，等離子體會遭遇強磁場。

美國能源部的普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）成功繪製出了因膨脹的等離子體所產生的壓力而向外彎曲的磁場的詳細圖像。

據 PPPL 研究人員所言，晃盪的等離子體膨脹形成了類似於柱子和蘑菇的結構。另外，隨着等離子體能量的降低，磁場線回彈至其初始位置。

“因此，等離子體被壓縮成一種筆直的結構，類似於能夠從被稱爲黑洞的超高密度死星中噴射而出的等離子體射流，並延伸到星系大小許多倍的距離，”PPPL 的新聞稿稱。

研究人員進一步指出說，那些在恆星之間延伸的射流，其成因仍是個謎，可能是由這項研究中觀察到的相同的壓縮磁場形成的。

“當我們開展實驗並分析數據時，我們發現有了重大發現，”PPPL 的工作人員、研究物理學家兼該論文的首席科學家索菲亞·馬爾科（Sophia Malko）說。

“長期以來，人們一直認爲由等離子體和磁場相互作用產生的磁瑞利-泰勒不穩定性會出現，但直到現在才得以直接觀察到。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。我們之前不知道我們的診斷會有那種精度。”

威爾·福克斯（Will Fox），PPPL 的另一位研究員兼該研究的首席調查員稱，此次實驗證明了磁場對於等離子體射流形成的重要性。

“既然我們或許已經洞察到這些射流的產生原因，從理論上講，我們能夠研究巨大的天體物理射流，並且瞭解一些有關黑洞的知識。”

針對這個實驗，該團隊通過爲其創造一種新的變體，對一種被稱爲質子射線照相術的測量技術加以改進，這能夠實現極其精確的測量。

研究人員藉助激光加熱一小片塑料圓盤來製造等離子體。爲了產生質子，他們用 20 束激光去照射一個裝有由多種氫和氦原子組成的燃料的膠囊。

隨着燃料升溫，核聚變反應發生，產生了一陣質子以及被稱爲 X 射線的強烈光芒。

該團隊還在膠囊附近安裝了一張帶有細小孔洞的網片。當質子流經網片時，流出物質被分離成小且獨立的束，因周圍磁場的作用而彎曲。

通過把扭曲的網片圖像和 X 射線生成的未扭曲圖像作比較，該團隊得以明白磁場是怎樣被膨脹的等離子體推搡的，進而致使邊緣出現漩渦狀的不穩定性。

“我們所觀察到的情形就如同你把牛奶倒進咖啡裡那樣，”馬爾科說道。“在相互作用期間，在磁場與等離子體交匯之處形成了衆多結構，由於溫度、密度和磁場強度存在顯著差異。這裡是它們生長的絕佳場所。”

“我們的實驗獨具特色，因爲我們可以直接看到磁場隨時間的變化，”福克斯說。“我們可以直接觀察到磁場是如何被推出，並在類似拔河比賽的過程中對等離子體作出反應”

研究人員當下計劃開展未來的實驗，這有助於改進膨脹等離子體的模型。

“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，並且有可能比以往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。”

該論文已在《物理評論研究》雜誌發表。

摘要

我們展示了在β≈1 的高能量密度等離子體中抗磁性空腔的形成和磁瑞利-泰勒（MRT）不穩定性的直接實驗觀察。質子射線照相術被用於測量在平行於預先施加的磁場傳播的激光產生的等離子體中的二維路徑積分磁場。與 MRT 不穩定性相關的類似長笛狀的結構被觀察到在腔的表面生長，測量的波長爲 1.2 毫米，生長時間爲 4 納秒。這些測量結果與使用 GORGON 代碼的三維磁流體動力學模擬的預測高度吻合。