銀河系很少單獨(dú)存在。相反，會有幾十個到幾千個銀河系被引力吸引到一起進(jìn)而形成一個巨大的星系團(tuán)，這是其成為宇宙中最大的天體。“星系團(tuán)是宇宙中最令人敬畏的事物之一，”芝加哥大學(xué)天體物理學(xué)家、2022年3月9日發(fā)表在《科學(xué)》上的一篇新論文的共同作者Don Lam教授說道。

據(jù)悉，這篇論文可能為解開一個長達(dá)幾十年的謎團(tuán)指明方向。

科學(xué)家們早就知道，星系團(tuán)中的氫氣溫度高得嚇人--約1000萬開爾文度，或跟太陽中心的溫度大致相同，在這樣的高溫條件下，氫原子不可能存在。相反，這些氣體是由質(zhì)子和電子組成的等離子體。

但一個難題依然存在。對于氣體為何或如何保持如此高的溫度并沒有直接的解釋。根據(jù)正常的物理學(xué)規(guī)則，它應(yīng)該在宇宙的年齡內(nèi)冷卻。但它并沒有。

對于任何試圖解決這一難題的人來說，挑戰(zhàn)在于你不可能在你的后院完全創(chuàng)造出這種強(qiáng)大的熱和磁條件。

然而現(xiàn)在地球上有一個地方你可以做到：世界上最有能量的激光設(shè)施。勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火設(shè)施能夠創(chuàng)造這樣的極端條件--盡管只是在一角硬幣大小的體積中創(chuàng)造一小部分的時間。

來自芝加哥大學(xué)、牛津大學(xué)和羅切斯特大學(xué)的科學(xué)家們共同合作，他們通過利用位于加利福尼亞州利弗莫爾的國家點(diǎn)火設(shè)施來創(chuàng)造類似于巨大的星系團(tuán)中的熱氣體的條件。作為論文第一作者的Jena Meinecke感嘆道：“在國家點(diǎn)火設(shè)施進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)簡直是出神入化?！?/p>

科學(xué)家們將196個激光器集中在一個微小的目標(biāo)上，并創(chuàng)造了一個帶有強(qiáng)烈磁場的白熱等離子體--其存在時間為幾十億分之一秒。

這足夠長的時間讓他們確定，等離子體中沒有均勻的溫度，而是存在著熱點(diǎn)和冷點(diǎn)。

這跟人們提出的關(guān)于熱量如何被困于星系團(tuán)內(nèi)的理論之一相吻合。通常情況下，熱量會隨著電子的相互碰撞而輕易分布。但等離子體內(nèi)部糾結(jié)的磁場會影響這些電子，進(jìn)而使它們沿著磁場的方向旋轉(zhuǎn)--這可能會阻止它們均勻地分配和分散它們的能量。

事實(shí)上，研究人員在實(shí)驗(yàn)中看到，能量的傳導(dǎo)被抑制了100倍以上。

“這是一個令人難以置信的結(jié)果，因?yàn)槲覀円呀?jīng)能夠證明天體物理學(xué)家提出的建議是在正確的軌道上，”Lamb說道。

研究報告的合著者、來自羅切斯特大學(xué)的教授Petros Tzeferacos則補(bǔ)充道：“這確實(shí)是一個驚人的結(jié)果。模擬是解開在湍流、磁化等離子體中起作用的物理學(xué)的關(guān)鍵，但熱傳輸抑制的水平超出了我們的預(yù)期?！?/p>

這些模擬是用一種叫做FLASH代碼的計(jì)算機(jī)代碼完成的，該代碼由芝加哥大學(xué)開發(fā)，現(xiàn)在則由Tzeferacos領(lǐng)導(dǎo)的羅切斯特大學(xué)計(jì)算科學(xué)Flash中心主持。該代碼允許科學(xué)家在做激光實(shí)驗(yàn)之前對其進(jìn)行精致的模擬以便他們能夠?qū)崿F(xiàn)他們所尋求的結(jié)果。

這一點(diǎn)很關(guān)鍵，因?yàn)榭茖W(xué)家們只有寶貴的幾次機(jī)會--如果出了問題就沒有重做的機(jī)會。并且由于實(shí)驗(yàn)條件只持續(xù)幾納秒，科學(xué)家們必須確保他們在正確的時間進(jìn)行所需的測量。這意味著所有的事情都必須提前很長時間進(jìn)行精確的規(guī)劃。

“當(dāng)你處于可以做的非常極端的時候，這是一個挑戰(zhàn)，但那是前沿的地方，”Lamb說道。

然而關(guān)于星系團(tuán)的物理學(xué)還存在更多的問題。盡管熱點(diǎn)和冷點(diǎn)是磁場對星系團(tuán)中熱氣體冷卻的影響的確鑿證據(jù)，但還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來了解到底發(fā)生了什么。該小組正在計(jì)劃今年晚些時候在NIF進(jìn)行下一輪的實(shí)驗(yàn)。

不過就目前而言，他們很高興已經(jīng)揭示了星系團(tuán)中的氣體即使在數(shù)十億年后仍很熱的原因。

Lamb表示：“這提醒我們，宇宙中充滿了神奇的東西?！?/p>