科学家们对等离子体如何与磁场相互作用获得了新的见解，这可能帮助解释在恒星之间移动的大型等离子体喷流的起源。等离子体是带有电荷的第四种物质状态，通常会与强磁场相互作用，无论是在星系之间的空间中，还是在用于核聚变的环形设备中，如托卡马克。這种相互作用改变了等离子体的形状和行为。利用质子——原子核心中的亚原子粒子——进行的一种新测量技术首次揭示了这种行为的细节，提供了对跨星系的巨大等离子体喷流的潜在解释。
美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员捕捉到了由于膨胀等离子体的压力而向外扩展的磁场的生动图像。当这些等离子体对磁场施加力量时，边缘出现了称为磁场-瑞利-泰勒不稳定性的气泡和泡沫，形成了看起来像柱子和蘑菇的结构。
随着等离子体内部能量的减少，磁场线返回到初始位置，导致等离子体压缩成一种流线型形状，类似于黑洞产生的喷流——超高密度的死星残骸，可以延伸出巨大距离，通常是星系大小的很多倍。这些发现表明，此研究中识别的相同压缩磁场也可能是造成这些宇宙喷流的原因，而这些喷流一直是一个谜。
“当我们进行实验并分析我们的数据时，我们意识到我们发现了一些重要的东西，”PPPL的员工研究物理学家及本研究的主要作者索非亚·马尔科（Sophia Malko）表示。“虽然人们早已相信磁场-瑞利-泰勒不稳定性会在等离子体与磁场相互作用时发生，但直到现在从未被直接观察到。当膨胀等离子体与磁场相遇时，这种不稳定性的确认出乎意料，我们整个团队对此诊断的精确性感到非常兴奋！”
“我们的实验清楚地表明，磁场在等离子体喷流的形成中发挥了关键作用，”PPPL研究物理学家以及在《物理评论研究》中报告结果的首席研究员威尔·福克斯（Will Fox）说道。“这种新发现为我们提供了一个理论框架，以探索巨型天体物理喷流，并进一步了解黑洞。”
PPPL因其开发诊断工具的能力而闻名，这些工具可在各种条件下测量等离子体的密度和温度。这一成就为实验室在等离子体物理学测量创新方面的进展增添了最新的成果。
利用创新技术获得卓越细节
研究团队通过为这一实验创造了一种新的变体，增强了一种称为质子成像的测量技术，旨在实现极为精确的测量。为了产生等离子体，他们将强激光指向一个小的塑料圆盘。为了产生质子，他们在含有不同氢和氦同位素的燃料胶囊上使用了20个激光。产生的聚变反应导致释放质子及强烈的X射线爆发。
此外，团队还在燃料胶囊旁边放置了一种有小孔的网。当质子穿过网时，它们形成了独立的束流，随后由于周围的磁场而发生改变。通过将网的畸变图像与来自X射线的未畸变图像进行比较，研究人员深入了解了扩展等离子体如何影响磁场的行为，导致边缘出现旋涡不稳定性。
“我们的实验独特之处在于我们可以实时观察磁场的变化，”福克斯解释道。“我们直接目睹了磁场如何在与等离子体的拉锯战中向外推移。”
多样化研究议程
这些结果展示了PPPL不断扩展的研究议程，包括高能密度（HED）等离子体研究。与标准聚变实验中使用的等离子体不同，这些等离子体，类似于实验燃料胶囊中产生的等离子体，具有更高的温度和密度。“HED等离子体研究是等离子体物理学中一个令人兴奋的增长领域，”福克斯评论道。“这一工作是PPPL推动该领域发展的承诺的一部分。这些发现表明我们的实验室能够开发出复杂的诊断工具，为这种等离子体类型提供新的见解，这可以用于激光聚变技术以及利用HED等离子体生成微电子制造所需辐射的方法。”
福克斯表示，“PPPL在磁化等离子体方面的广泛专业知识能够为激光生成的HED等离子体领域做出重要贡献。”
“高能密度科学是复杂而引人入胜的，对于理解各种现象至关重要，”PPPL的战略与合作部副实验室主任及副首席研究官劳拉·贝尔扎克·霍普金斯（Laura Berzak Hopkins）表示。“以受控方式实现这些条件并创造出用于细致测量的先进诊断工具面临重大挑战。这些激动人心的结果突显了PPPL丰富的技术知识与开创性方法相结合的有效性。”
更多实验与改进的模拟
研究团队计划进行进一步实验，以增强与扩展等离子体行为相关的模型。“科学家们通常假设在这些情况下密度和磁性是直接变化的，但事实可能并非如此，”马尔科指出。
“准确测量这些不稳定性后，我们可以完善我们的模型，并可能模拟和更深入地理解天体物理喷流，”马尔科补充道。“在实验室环境中复制通常存在于外层空间的现象是令人着迷的。”
此次合作涉及洛杉矶加州大学、索邦大学、普林斯顿大学和密歇根大学的研究人员。该研究获得了DOE实验室指导研究与开发项目的资助，合同号为DE-AC02-09CH11466。实验利用了罗切斯特大学的欧米伽激光设施，得到了DOE/国家核安全局合同号为DE-NA0003856的支持。
