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科学家利用196个激光器重现了巨大星系团的内部条件

稿源:cnBeta

银河系很少单独存在。相反,会有几十个到几千个银河系被引力吸引到一起进而形成一个巨大的星系团,这是其成为宇宙中最大的天体。“星系团是宇宙中最令人敬畏的事物之一,”芝加哥大学天体物理学家、2022年3月9日发表在《科学》上的一篇新论文的共同作者Don Lam教授说道。

据悉,这篇论文可能为解开一个长达几十年的谜团指明方向。

科学家们早就知道,星系团中的氢气温度高得吓人--约1000万开尔文度,或跟太阳中心的温度大致相同,在这样的高温条件下,氢原子不可能存在。相反,这些气体是由质子和电子组成的等离子体。

但一个难题依然存在。对于气体为何或如何保持如此高的温度并没有直接的解释。根据正常的物理学规则,它应该在宇宙的年龄内冷却。但它并没有。

对于任何试图解决这一难题的人来说,挑战在于你不可能在你的后院完全创造出这种强大的热和磁条件。

然而现在地球上有一个地方你可以做到:世界上最有能量的激光设施。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施能够创造这样的极端条件--尽管只是在一角硬币大小的体积中创造一小部分的时间。

来自芝加哥大学、牛津大学和罗切斯特大学的科学家们共同合作,他们通过利用位于加利福尼亚州利弗莫尔的国家点火设施来创造类似于巨大的星系团中的热气体的条件。作为论文第一作者的Jena Meinecke感叹道:“在国家点火设施进行的实验简直是出神入化。”

科学家们将196个激光器集中在一个微小的目标上,并创造了一个带有强烈磁场的白热等离子体--其存在时间为几十亿分之一秒。

这足够长的时间让他们确定,等离子体中没有均匀的温度,而是存在着热点和冷点。

这跟人们提出的关于热量如何被困于星系团内的理论之一相吻合。通常情况下,热量会随着电子的相互碰撞而轻易分布。但等离子体内部纠结的磁场会影响这些电子,进而使它们沿着磁场的方向旋转--这可能会阻止它们均匀地分配和分散它们的能量。

事实上,研究人员在实验中看到,能量的传导被抑制了100倍以上。

“这是一个令人难以置信的结果,因为我们已经能够证明天体物理学家提出的建议是在正确的轨道上,”Lamb说道。

研究报告的合著者、来自罗切斯特大学的教授Petros Tzeferacos则补充道:“这确实是一个惊人的结果。模拟是解开在湍流、磁化等离子体中起作用的物理学的关键,但热传输抑制的水平超出了我们的预期。”

这些模拟是用一种叫做FLASH代码的计算机代码完成的,该代码由芝加哥大学开发,现在则由Tzeferacos领导的罗切斯特大学计算科学Flash中心主持。该代码允许科学家在做激光实验之前对其进行精致的模拟以便他们能够实现他们所寻求的结果。

这一点很关键,因为科学家们只有宝贵的几次机会--如果出了问题就没有重做的机会。并且由于实验条件只持续几纳秒,科学家们必须确保他们在正确的时间进行所需的测量。这意味着所有的事情都必须提前很长时间进行精确的规划。

“当你处于可以做的非常极端的时候,这是一个挑战,但那是前沿的地方,”Lamb说道。

然而关于星系团的物理学还存在更多的问题。尽管热点和冷点是磁场对星系团中热气体冷却的影响的确凿证据,但还需要进一步的实验来了解到底发生了什么。该小组正在计划今年晚些时候在NIF进行下一轮的实验。

不过就目前而言,他们很高兴已经揭示了星系团中的气体即使在数十亿年后仍很热的原因。

Lamb表示:“这提醒我们,宇宙中充满了神奇的东西。”



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原文地址《 科学家利用196个激光器重现了巨大星系团的内部条件》发布于2022-3-20
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