盘绕纠缠的磁场或许是宇宙中最强大的粒子加速器

盘绕在碗里像意大利面条一样的磁场线可能是宇宙中最强大的粒子加速器。这是美国能源部(Department of Energy) SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)研究人员进行的一项新计算的研究结果。该实验室的研究人员模拟了遥远活动星系的粒子辐射。在这些活跃星系的核心，超大质量黑洞发射高速等离子喷射(一种炽热的电离气体)将数百万光年射入太空。这个过程可能是宇宙射线的来源，其能量是最强大人造粒子加速器释放能量的几千万倍。

研究的首席研究员SLAC的科学家弗雷德里科·菲乌扎(Frederico Fiuza)说：产生这些极端粒子能量的机制还不清楚。这项研究将发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。基于这项研究的模拟能够提出一种新的机制，有可能解释这些宇宙粒子加速器是如何运行的机制。这一结果对等离子体和核聚变研究以及新型高能粒子加速器的发展也有一定的指导意义。

长期以来，模拟宇宙喷流的研究人员一直对增强宇宙粒子能量的剧烈过程着迷。例如收集的证据表明，来自强大恒星爆炸的冲击波可以使粒子加速，并将它们传送到整个宇宙。科学还提出宇宙等离子体喷流的主要驱动力可能是当等离子体中的磁力线以不同的方式断裂并重新连接时释放出磁能——这一过程被称为“磁重连接”。

SLAC研究人员发现了一种新的机制，它可以解释等离子射流如何从活动星系的中心喷发出来，就像这幅图中显示的那样，将粒子加速到极高的能量。计算机模拟(圆形区域)显示，纠缠的磁场线在射流方向上产生了强大的电场，导致高能粒子的密集电流从星系中流出。图片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

然而这项新研究提出了一种不同的机制，这种机制与活跃星系中心旋转的超大质量黑洞所产生的螺旋磁场破坏有关。研究报告的主要作者保罗阿尔维斯(Paulo Alves)说：这些领域可能会变得不稳定，但当磁场发生扭曲时，究竟会发生什么?这个过程能否解释粒子如何在这些射流中获得巨大能量?这就是我们想在研究中发现的。为此研究人员在美国能源部阿尔贡国家实验室阿尔贡领导计算设施(ALCF)的Mira超级计算机上模拟了多达5500亿个粒子的运动，这是宇宙喷气机的一个微型版本。

活动星系半人马座A的合成图像，显示了向太空延伸数百万光年的裂片和喷流。图片：Optical: ESO/WFI; Submillimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.; X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.

然后他们将结果放大到宇宙维度，并与天体物理学观测结果进行比较。从纠缠场线到高能粒子，模拟结果表明，当螺旋磁场发生强烈畸变时，磁场线高度纠缠，射流内部产生大电场。事实上这种电场和磁场的排列可以有效地将电子和质子加速到极高的能量。当高能电子以x射线和伽马射线的形式辐射出它们的能量时，质子则可以逃离射流进入太空，以宇宙辐射的形式到达地球大气层。在这一过程中释放的磁性能量有很大一部分进入了高能粒子，这种加速机制既可以解释来自活动星系的高能辐射，也可以解释观测到的最高宇宙射线能量。

在模拟小型宇宙射流的过程中，SLAC的研究人员发现，当射流的螺旋磁场(左)被强烈扭曲时，磁场线(中)变得高度纠结，在射流内部产生一个大电场(右)，可以有效地将电子和质子加速到极值能量。图片：arXiv:1810.05154v1

黑洞物理学专家、斯坦福大学Kavli粒子天体物理与宇宙学研究所(KIPAC)前主任罗杰·布兰德福德(Roger Blandford)说：这项仔细的分析发现了许多令人惊讶的细节，这些细节被认为是在遥远喷流中存在条件下发生的，可能有助于解释一些非凡的天体物理学观测。接下来，研究人员想要将他们的工作与实际观测更紧密地联系起来，例如通过研究是什么使得宇宙射流的辐射随时间而迅速变化。他们还打算进行实验室研究，以确定本研究中提出的相同机制是否也会导致聚变等离子体的分裂和粒子加速。