震惊！科学家在实验室成功培育出黑洞喷流

一项利用质子束来探究等离子体与磁场相互作用方式的实验，或许刚刚解开了类星体及其他活跃的超大质量黑洞如何释放相对论性喷流这一谜团。

让咱们想象一下类星体核心的情形。一个超大质量的黑洞，或许其质量是我们太阳的数亿甚至数十亿倍，正在贪婪地吞噬着从螺旋状的超热盘中流入其大口的物质。这种带电物质被称作等离子体，并且它受引力作用被吸往黑洞周围——然而，并非所有由电离或带电、失去电子的原子组成的等离子体都被黑洞吞噬。实际上，黑洞贪心不足，一些等离子体还没到达接近 事件视界（基本上就是有去无回的点），就被黑洞强大的磁场以喷流的形式喷出并校准了方向。

这些喷流能够延伸数千光年至太空。然而，解释在喷流底部，即它们形成的地方所发生的物理现象，一直困扰着科学家。

答案或许出自新泽西州普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员之手，他们成功地对一种名为质子射线照相的等离子体测量技术做出了改进。

在他们所做的实验中，研究人员先是向一个塑料靶发射脉冲的、能量为 20 焦耳的激光束，从而创建出一个高能量密度的等离子体。

接着，他们利用强大的激光在装满氘和氦 - 3 的燃料胶囊里引发核聚变。核聚变反应会释放出质子和 X 射线的爆发。

然后，这些质子和 X 射线穿过一个布满小孔的镍网。可以把这个网想象成一个用于过滤意大利面的漏勺；它将质子过滤成许多离散的束，这些束随后能够测量膨胀的等离子体羽流如何与背景磁场相互作用。由于质子带电，当它们受到等离子体的冲击时，就会沿着磁力线运动。X 射线爆发起到了检查的作用——因为 X 射线能毫无阻碍地穿过网和磁场，所以它们提供了等离子体未失真的图像，以与质子束测量结果作比较。

“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，”该实验的首席研究员威尔·福克斯在一份声明中说道。“我们能够直接观察到磁场是怎样被推出的，以及它在一种类似拔河的过程中对等离子体作出的反应。”

他们详细地观察到，在膨胀的等离子体的压力作用下，磁场向外弯曲，而等离子体在磁场线中来回晃动。这种等离子体的冒泡和起沫现象被称为磁瑞利-泰勒不稳定性，它在磁场中造就了看起来像漩涡和蘑菇的形状。至关重要的是，随着等离子体能量的降低，磁场线能够弹回。这把等离子体压缩成了一个笔直且狭窄的柱体，跟类星体的相对论性喷流没什么不同。

“当我们开展实验并对数据加以分析时，我们有了重大发现，”PPPL 的索菲亚·马尔科（Sophia Malko）说。“长期以来，人们一直认为等离子体与磁场相互作用会产生磁瑞利泰勒不稳定性，然而直到现在才得以直接观测到。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。”

该实验有力地表明，类星体喷流的形成得益于这种磁场对膨胀等离子体的作用。倘若这些结果是活跃黑洞周边所发生情形的一个快照，那就意味着，在黑洞的吸积盘中，条件变得极为强烈，以至于盘中的等离子体能够与紧密排列的磁力线相抗衡。随后磁力线会回弹，并将等离子体推成一个狭窄的柱体，近乎将其从黑洞中喷射而出。要是这是真的，这或许是我们对于活跃黑洞如何运行的认知中所缺失的一个重要部分。

“既然我们已经把这些不稳定性测量得非常精确，我们就拥有了改进模型所需的信息，并且有可能比之前在更高程度上模拟和理解天体物理射流，”马尔科说。“有趣的是，人类可以在实验室中制造出通常存在于太空中的东西。”

研究结果于 6 月 27 日发表于《物理评论研究》杂志。