实验室制造的宇宙火球揭示出，古老磁场塑造了宇宙中缺失的光。
由牛津大学牵头的一个国际科研团队在实验室环境下成功制造出等离子体“火球”，属全球首例。借助位于日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）超质子同步加速器，研究人员着手探究来自耀变体的等离子体射流在穿越太空时的行为特征。
他们的研究成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS），为天文学中一个长期存在的谜团——缺失的伽马射线与宇宙中难以捉摸的磁场——提供了新的见解。
耀变体与极端伽马射线辐射
耀变体是由中心超大质量黑洞提供能量、活跃度极高的星系。这些黑洞会喷射出近乎光速的窄粒子束与辐射流，在某些情况下，这些粒子束与辐射流会直接指向地球。
这些喷流释放出巨量的伽马射线，其能量可达数万亿电子伏特（1太电子伏特=1012/万亿电子伏特），可借助地面望远镜观测到。当这些高能伽马射线穿过星系际空间时，会与背景中微弱的星光发生碰撞。这种相互作用会引发电子-正电子对的级联产生。
科学家预计，这些粒子会与宇宙微波背景相互作用，产生吉电子伏特（GeV，10^9电子伏特）量级的低能伽马射线。然而，像费米卫星这样的伽马射线太空观测站却未能探测到这一预期信号。迄今为止，造成这一差异的原因尚不清楚。
两种相互竞争的解释
一种可能的解释是，星系间扩散的弱磁场使电子 - 正电子对发生偏转，导致产生的伽马射线完全偏离地球方向。
另一种观点源自等离子体物理学。根据这一假说，当粒子束穿越星系间极为稀薄的物质时，会变得不稳定。粒子束内部的小扰动可能产生电流和磁场，这些电流和磁场会加剧不稳定状态，并耗尽射流的能量。
在欧洲核子研究中心模拟耀变体环境
为确定哪种解释更有可能成立，研究人员在欧洲核子研究中心（CERN）的高辐射材料实验设施（HiRadMat）开展了一项实验。该项目由牛津大学与英国科学技术设施理事会（STFC）旗下的中央激光设施（CLF）联合开展。
研究团队借助超级质子同步加速器，生成了电子-正电子对束流，并使其穿过长达一米的等离子体区域。这一装置构建了一个缩微版的实验室模型，用以模拟耀变体喷流穿越星系间等离子体时所产生的粒子级联现象。
通过仔细测量光束的形状及其相关的磁场，科学家们得以直接检验等离子体不稳定性是否会在光束传播过程中对其造成干扰。
稳定束流挑战等离子体不稳定性理论
研究结果令研究人员大为惊讶。粒子束并未扩散或分裂，而是保持着狭窄且近乎完美的平行状态。此外，它几乎未显现出产生自身磁场的迹象。
当这些研究结果延伸至天体物理学所涉及的浩瀚距离时，便表明束-等离子体不稳定性太过微弱，不足以解释那些缺失的十亿电子伏特伽马射线的成因。这一发现进一步支持了星系间磁场可能源自早期宇宙的观点。
实验与观测的关联
首席研究员詹卢卡·格雷戈里教授（牛津大学物理系）表示：“我们的研究展示了实验室实验如何助力弥合理论与观测之间的鸿沟，增进我们对借助卫星和地面望远镜所观测到的天体物理对象的理解。研究还凸显了全球各地实验设施之间开展合作的重要性，尤其是在探索愈发极端的物理状态这一全新领域时。”
关于早期宇宙的未解之谜
尽管取得了这些进展，但相关发现也带来了新的挑战。科学家们认为，早期宇宙极为均匀，这导致广泛存在的磁场起源难以解释。研究人员提出，解决这一问题或许需要借助标准模型之外的物理学理论。
未来的观测设备，包括切伦科夫望远镜阵列天文台（CTAO），预计将带来更为精准的观测成果，有助于验证这些设想并完善现有理论。
实验室天体物理学与全球合作
联合研究员鲍勃·宾厄姆教授（来自英国科学技术设施理事会中央激光装置与思克莱德大学）表示：“这些实验展示了实验室天体物理学如何检验高能宇宙理论。通过在实验室中重现相对论性等离子体环境，我们得以测量那些影响宇宙射流演化的过程，并更深入地理解星系间空间中磁场的起源。”
共同研究者、牛津大学物理学系教授苏比尔·萨卡尔（Subir Sarkar）表示：“能够参与这样一项创新实验，为欧洲核子研究中心（CERN）正在开展的前沿研究增添新的维度，我感到非常有趣。希望我们这一引人注目的成果，能够激发等离子体（天体）物理学界对在陆地高能物理实验室中探索宇宙基本问题的兴趣。”
参考文献：查尔斯·D·阿罗史密斯（Charles D. Arrowsmith）、弗朗西斯科·米尼亚蒂（Francesco Miniati）、巴勃罗·J·毕尔巴鄂（Pablo J. Bilbao）、帕斯卡·西蒙（Pascal Simon）、阿奇·F·A·博特（Archie F. A. Bott）、斯蒂芬·伯格（Stephane Burger）、陈慧（Hui Chen）、菲利佩·D·克鲁兹（Filipe D. Cruz）、特里斯坦·达文（Tristan Davenne）、安东尼·戴森（Anthony Dyson）、伊利亚斯·埃夫西米奥普洛斯（Ilias Efthymiopoulos）、达斯汀·H·弗罗拉（Dustin H. Froula）、爱丽丝·戈约（Alice Goillot）、乔恩·T·古德蒙德松（Jon T. Gudmundsson）、丹·哈伯格（Dan Haberberger）、杰克·W·D·哈利迪（Jack W. D. Halliday）、汤姆·霍奇（Tom Hodge）、布莱恩·T·哈夫曼（Brian T. Huffman）、萨姆·亚昆塔（Sam Iaquinta）、G·马歇尔（G. Marshall）、布莱恩·里维尔（Brian Reville）、苏比尔·萨卡尔（Subir Sarkar）、亚历山大·A·谢科欣（Alexander A. Schekochihin）、路易斯·O·席尔瓦（Luis O. Silva）、拉斯伯里·辛普森（Raspberry Simpson）、瓦西里基·斯特吉欧（Vasiliki Stergiou）、拉乌尔·M·G·M·特里内斯（Raoul M. G. M. Trines）、蒂博·维厄（Thibault Vieu）、尼古劳斯·查里托尼迪斯（Nikolaos Charitonidis）、罗伯特·宾厄姆（Robert Bingham）和詹卢卡·格雷戈里（Gianluca Gregori），2025年11月7日，《实验室模拟耀变体级联对产生过程中对束不稳定性的抑制》，美国国家科学院院刊。DOI：10.1073/pnas.2513365122
该研究汇聚了来自牛津大学、英国科学与技术设施理事会（STFC）中央激光装置（RAL）、欧洲核子研究组织（CERN）、罗切斯特大学激光能量学实验室、英国原子武器研究院（AWE Aldermaston）、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、马克斯·普朗克核物理研究所、冰岛大学以及里斯本高等理工学院的科研人员。
