盤繞在碗里像意大利面條一樣的磁場線可能是宇宙中最強大的粒子加速器。這是美國能源部(Department of Energy) SLAC國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory)研究人員進行的一項新計算的研究結(jié)果。該實驗室的研究人員模擬了遙遠(yuǎn)活動星系的粒子輻射。在這些活躍星系的核心，超大質(zhì)量黑洞發(fā)射高速等離子噴射(一種熾熱的電離氣體)將數(shù)百萬光年射入太空。這個過程可能是宇宙射線的來源，其能量是最強大人造粒子加速器釋放能量的幾千萬倍。

研究的首席研究員SLAC的科學(xué)家弗雷德里科·菲烏扎(Frederico Fiuza)說：產(chǎn)生這些極端粒子能量的機制還不清楚。這項研究將發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上?；谶@項研究的模擬能夠提出一種新的機制，有可能解釋這些宇宙粒子加速器是如何運行的機制。這一結(jié)果對等離子體和核聚變研究以及新型高能粒子加速器的發(fā)展也有一定的指導(dǎo)意義。

長期以來，模擬宇宙噴流的研究人員一直對增強宇宙粒子能量的劇烈過程著迷。例如收集的證據(jù)表明，來自強大恒星爆炸的沖擊波可以使粒子加速，并將它們傳送到整個宇宙。科學(xué)還提出宇宙等離子體噴流的主要驅(qū)動力可能是當(dāng)?shù)入x子體中的磁力線以不同的方式斷裂并重新連接時釋放出磁能——這一過程被稱為“磁重連接”。

SLAC研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的機制，它可以解釋等離子射流如何從活動星系的中心噴發(fā)出來，就像這幅圖中顯示的那樣，將粒子加速到極高的能量。計算機模擬(圓形區(qū)域)顯示，糾纏的磁場線在射流方向上產(chǎn)生了強大的電場，導(dǎo)致高能粒子的密集電流從星系中流出。圖片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

然而這項新研究提出了一種不同的機制，這種機制與活躍星系中心旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞所產(chǎn)生的螺旋磁場破壞有關(guān)。研究報告的主要作者保羅阿爾維斯(Paulo Alves)說：這些領(lǐng)域可能會變得不穩(wěn)定，但當(dāng)磁場發(fā)生扭曲時，究竟會發(fā)生什么?這個過程能否解釋粒子如何在這些射流中獲得巨大能量?這就是我們想在研究中發(fā)現(xiàn)的。為此研究人員在美國能源部阿爾貢國家實驗室阿爾貢領(lǐng)導(dǎo)計算設(shè)施(ALCF)的Mira超級計算機上模擬了多達(dá)5500億個粒子的運動，這是宇宙噴氣機的一個微型版本。

活動星系半人馬座A的合成圖像，顯示了向太空延伸數(shù)百萬光年的裂片和噴流。圖片：Optical: ESO/WFI; Submillimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.; X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.

然后他們將結(jié)果放大到宇宙維度，并與天體物理學(xué)觀測結(jié)果進行比較。從糾纏場線到高能粒子，模擬結(jié)果表明，當(dāng)螺旋磁場發(fā)生強烈畸變時，磁場線高度糾纏，射流內(nèi)部產(chǎn)生大電場。事實上這種電場和磁場的排列可以有效地將電子和質(zhì)子加速到極高的能量。當(dāng)高能電子以x射線和伽馬射線的形式輻射出它們的能量時，質(zhì)子則可以逃離射流進入太空，以宇宙輻射的形式到達(dá)地球大氣層。在這一過程中釋放的磁性能量有很大一部分進入了高能粒子，這種加速機制既可以解釋來自活動星系的高能輻射，也可以解釋觀測到的最高宇宙射線能量。

在模擬小型宇宙射流的過程中，SLAC的研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射流的螺旋磁場(左)被強烈扭曲時，磁場線(中)變得高度糾結(jié)，在射流內(nèi)部產(chǎn)生一個大電場(右)，可以有效地將電子和質(zhì)子加速到極值能量。圖片：arXiv:1810.05154v1

黑洞物理學(xué)專家、斯坦福大學(xué)Kavli粒子天體物理與宇宙學(xué)研究所(KIPAC)前主任羅杰·布蘭德福德(Roger Blandford)說：這項仔細(xì)的分析發(fā)現(xiàn)了許多令人驚訝的細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)被認(rèn)為是在遙遠(yuǎn)噴流中存在條件下發(fā)生的，可能有助于解釋一些非凡的天體物理學(xué)觀測。接下來，研究人員想要將他們的工作與實際觀測更緊密地聯(lián)系起來，例如通過研究是什么使得宇宙射流的輻射隨時間而迅速變化。他們還打算進行實驗室研究，以確定本研究中提出的相同機制是否也會導(dǎo)致聚變等離子體的分裂和粒子加速。