震惊！美国核实验模拟黑洞喷射等离子体射流

研究人员已研发出一种全新技术，能够捕获托卡马克装置内等离子体改变形状以及在太空中晃荡的细节。

这种新的测量技术运用质子，研究人员觉得它还揭示了宇宙中恒星之间巨大等离子体射流的形成。

在这种呈甜甜圈形状的核聚变装置——也被称作托卡马克——内部，等离子体会遭遇强磁场。

美国能源部的普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）成功绘制出了因膨胀的等离子体所产生的压力而向外弯曲的磁场的详细图像。

据 PPPL 研究人员所言，晃荡的等离子体膨胀形成了类似于柱子和蘑菇的结构。另外，随着等离子体能量的降低，磁场线回弹至其初始位置。

“因此，等离子体被压缩成一种笔直的结构，类似于能够从被称为黑洞的超高密度死星中喷射而出的等离子体射流，并延伸到星系大小许多倍的距离，”PPPL 的新闻稿称。

研究人员进一步指出说，那些在恒星之间延伸的射流，其成因仍是个谜，可能是由这项研究中观察到的相同的压缩磁场形成的。

“当我们开展实验并分析数据时，我们发现有了重大发现，”PPPL 的工作人员、研究物理学家兼该论文的首席科学家索菲亚·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产生的磁瑞利-泰勒不稳定性会出现，但直到现在才得以直接观察到。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。我们之前不知道我们的诊断会有那种精度。”

威尔·福克斯（Will Fox），PPPL 的另一位研究员兼该研究的首席调查员称，此次实验证明了磁场对于等离子体射流形成的重要性。

“既然我们或许已经洞察到这些射流的产生原因，从理论上讲，我们能够研究巨大的天体物理射流，并且了解一些有关黑洞的知识。”

针对这个实验，该团队通过为其创造一种新的变体，对一种被称为质子射线照相术的测量技术加以改进，这能够实现极其精确的测量。

研究人员借助激光加热一小片塑料圆盘来制造等离子体。为了产生质子，他们用 20 束激光去照射一个装有由多种氢和氦原子组成的燃料的胶囊。

随着燃料升温，核聚变反应发生，产生了一阵质子以及被称为 X 射线的强烈光芒。

该团队还在胶囊附近安装了一张带有细小孔洞的网片。当质子流经网片时，流出物质被分离成小且独立的束，因周围磁场的作用而弯曲。

通过把扭曲的网片图像和 X 射线生成的未扭曲图像作比较，该团队得以明白磁场是怎样被膨胀的等离子体推搡的，进而致使边缘出现漩涡状的不稳定性。

“我们所观察到的情形就如同你把牛奶倒进咖啡里那样，”马尔科说道。“在相互作用期间，在磁场与等离子体交汇之处形成了众多结构，由于温度、密度和磁场强度存在显著差异。这里是它们生长的绝佳场所。”

“我们的实验独具特色，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，并在类似拔河比赛的过程中对等离子体作出反应”

研究人员当下计划开展未来的实验，这有助于改进膨胀等离子体的模型。

“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，并且有可能比以往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。”

该论文已在《物理评论研究》杂志发表。

摘要

我们展示了在β≈1 的高能量密度等离子体中抗磁性空腔的形成和磁瑞利-泰勒（MRT）不稳定性的直接实验观察。质子射线照相术被用于测量在平行于预先施加的磁场传播的激光产生的等离子体中的二维路径积分磁场。与 MRT 不稳定性相关的类似长笛状的结构被观察到在腔的表面生长，测量的波长为 1.2 毫米，生长时间为 4 纳秒。这些测量结果与使用 GORGON 代码的三维磁流体动力学模拟的预测高度吻合。