盤繞在碗裡像義大利麵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果。該實驗室的研究人員模擬了遙遠活動星系的粒子輻射。在這些活躍星系的核心，超大質量黑洞發射高速等離子噴射（一種熾熱的電離氣體）將數百萬光年射入太空。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的科學家弗雷德里科·菲烏扎(Frederico
Fiuza)說：產生這些極端粒子能量的機制還不清楚。
博科園-科學科普：這項研究將發表在《物理評論快報》(Physical Review
Letters)上。基於這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執行的機制。這一結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展也有一定的指導意義。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。例如收集的證據表明，來自強大恆星爆炸的衝擊波可以使粒子加速，並將它們傳送到整個宇宙。科學還提出宇宙等離子體噴流的主要驅動力可能是當等離子體中的磁力線以不同的方式斷裂並重新連線時釋放出磁能——這一過程被稱為「磁重連線」。
SLAC研究人員發現了一種新的機制，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(圓形區域)顯示，糾纏的磁場線在射流方向上產生了強大的電場，導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的超大質量黑洞所產生的螺旋磁場破壞有關。研究報告的主要作者保羅阿爾維斯(Paulo
Alves)說：這些領域可能會變得不穩定，但當磁場發生扭曲時，究竟會發生什麼？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現的。為此研究人員在美國能源部阿爾貢國家實驗室阿爾貢領導計算設施(ALCF)的Mira超級計算機上模擬了多達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的合成影像，顯示了向太空延伸數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.
然後他們將結果放大到宇宙維度，並與天體物理學觀測結果進行比較。從糾纏場線到高能粒子，模擬結果表明，當螺旋磁場發生強烈畸變時，磁場線高度糾纏，射流內部產生大電場。事實上這種電場和磁場的排列可以有效地將電子和質子加速到極高的能量。當高能電子以x射線和伽馬射線的形式輻射出它們的能量時，質子則可以逃離射流進入太空，以宇宙輻射的形式到達地球大氣層。在這一過程中釋放的磁效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的研究人員發現，當射流的螺旋磁場(左)被強烈扭曲時，磁場線(中)變得高度糾結，在射流內部產生一個大電場(右)，可以有效地將電子和質子加速到極值能量。圖片：arXiv:1810.05154v1
黑洞物理學專家、史丹福大學Kavli粒子天體物理與宇宙學研究所(KIPAC)前主任羅傑·布蘭德福德(Roger
Blandford)說：這項仔細的分析發現了許多令人驚訝的細節，這些細節被認為是在遙遠噴流中存在條件下發生的，可能有助於解釋一些非凡的天體物理學觀測。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絡起來，例如透過研究是什麼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致聚變等離子體的分裂和粒子加速。
博科園-科學科普｜研究/來自：SLAC國家加速器實驗室
參考期刊文獻:《物理評論快報》
Cite：arXiv:1810.05154
博科園-傳遞宇宙科學之美
