科学家制造实验室培育的黑洞喷流

通过使用质子探测磁场如何响应膨胀的等离子体，实验人员复制了活跃黑洞喷出的粒子射流。

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一项使用质子束来探测等离子体和磁场如何相互作用的实验可能刚刚解决了类星体和其他活跃的超大质量黑洞如何释放相对论性喷流的谜团。

让我们想象一下类星体中心的场景。一个超大质量黑洞，可能是我们太阳质量的数亿甚至数十亿倍，正在贪婪地吞噬从螺旋状物质流入其胃中的物质，超热磁盘。这种带电物质被称为等离子体，它会在引力作用下被吸入黑洞周围——然而，并不是所有由电离或带电原子组成的失去电子的等离子体都会被黑洞吞噬。事实上，黑洞吞噬的东西比它能咀嚼的要多，并且在等离子体到达事件视界附近的任何地方之前，一些等离子体会被黑洞强大的磁场准直的喷流喷出，这是基本上已经到了不归路。

这些喷流可以延伸数千光年进入太空。然而，解释喷流底部（它们形成的地方）发生的物理现象一直困扰着科学家。

答案可能来自新泽西州普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的研究人员，他们对称为质子射线照相的等离子体测量技术进行了改进。

在实验中，研究人员首先通过向塑料目标发射脉冲 20 焦耳激光束来产生高能量密度等离子体。然后，他们使用强大的激光在充满氘和氦 3 的燃料舱中引发核聚变。聚变反应释放出质子和 X 射线。

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然后这些质子和 X 射线穿过充满小孔的镍网。将网格想象成一个过滤意大利面的漏勺；它将质子拉成许多离散的束，然后可以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，因此它们在受到等离子体冲击时会沿着磁场线运动。 X 射线爆发起到了检查的作用——因为 X 射线干净地穿过网格和磁场，它们提供了未失真的等离子体图像，以便与质子束测量进行比较。

“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。 “我们可以直接观察场如何在拔河比赛中被推出并对等离子体做出反应。”

他们详细观察了磁场在膨胀等离子体的压力下向外弯曲，等离子体沿着磁场线晃动。等离子体的这种鼓泡和起泡被称为磁瑞利泰勒不稳定性，它在磁场中产生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减少，磁场线能够恢复。这将等离子体压缩成笔直、狭窄的柱体，与类星体的相对论射流没有什么不同。

“当我们进行实验并分析数据时，我们发现我们有一些大东西，”PPPL 的索菲亚马尔科说。 “长期以来，人们一直认为等离子体和磁场相互作用引起的磁瑞利泰勒不稳定性会发生，但直到现在才被直接观察到。这一观察有助于证实，当膨胀的等离子体遇到磁场时，就会发生这种不稳定性。”

该实验有力地表明，类星体喷流的产生要归功于这种磁场对膨胀等离子体的反应。如果结果是活跃黑洞周围发生的情况的快照，那就意味着在黑洞的吸积盘中，条件变得如此强烈，以至于吸积盘中的等离子体能够推动紧密堆积的磁力线，然后弹回并将等离子体推入狭窄的柱体，几乎将其从黑洞中喷射出来。如果属实，这可能是我们关于活跃黑洞如何运作的图景中一个巨大的缺失。

马尔科说：“既然我们已经非常准确地测量了这些不稳定性，我们就拥有了改进模型所需的信息，并有可能比以前更高程度地模拟和理解天体物理喷流。” “有趣的是，人类可以在通常存在于太空中的实验室中制造一些东西。”

研究结果发表于 6 月 27 日《物理评论研究》杂志上。

最初发布于Space.com。