欧洲核子研究中心（CERN）的"火球"（Fireball）合作项目产生了强大的电子-正电子等离子体束，用于研究黑洞喷流，极大地推动了我们对这些宇宙现象的理解，并为模拟实验数据提供了支持。

Fireball合作小组利用欧洲核子研究中心的HiRadMat设施产生了一种物质和反物质喷流的模拟，这种喷流从一些黑洞和中子星中喷涌而出。

在欧洲核子研究中心的 HiRadMat 设备上，研究人员制造出了一束高密度电子-正电子等离子体束，模拟了来自黑洞的天体物理喷流，为研究太空现象提供了新的视角。这些实验有助于用真实世界的数据验证理论模型，为深入了解黑洞喷流等宇宙事件铺平道路。

潜入一个活跃星系的中心，你会发现一个超大质量黑洞正在吞噬周围的物质。在大约十分之一的此类星系中，黑洞还会以接近光速的速度喷射出物质射流。这种相对论黑洞喷流被认为包含了电子对及其反物质等价物正电子的等离子体等成分。

这种相对论电子-正电子等离子体被认为会影响黑洞及其环境的动力学和能量预算。但究竟是如何发生的，人们仍然知之甚少，因为既很难用天文观测来测量等离子体，也很难用计算机程序来模拟它。

在最近发表于《自然-通讯》（Nature Communications）的一篇论文中，查尔斯-阿罗史密斯（Charles Arrowsmith）和火球合作项目的同事们报告了他们是如何利用欧洲核子研究中心（CERN）的 HiRadMat 设备产生一束电子-正电子等离子体相对论束，从而在实验室实验中对这种介质进行详细研究的。

活动星系半人马座 A，等离子体喷流从其中央黑洞喷出。资料来源：ESO/WFI（光学），MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.（亚毫米波）、NASA/CXC/CfA/R.天体物理现象的实验室复制

在不同类型的实验室配备的高功率激光设施可以通过多种方式产生电子-正电子对的相对论束。然而，现有的方法都无法产生维持等离子体所需的电子-正电子对数量，而等离子体是一种物质状态，其中各组成粒子之间的连接非常松散。如果不能维持等离子体，研究人员就无法研究这些黑洞喷流的类似物在穿过相当于星际介质的实验室时是如何变化的。这项研究是解释地面和太空望远镜观测结果的关键。

阿罗史密斯及其同事在欧洲核子研究中心的 HiRadMat 设备上找到了满足这些要求的方法。他们的方法是从实验室的超级质子同步加速器（Super Proton Synchrotron）中在仅纳秒级的时间内提取出高达三千亿个质子，然后将它们发射到石墨和钽靶上，在此过程中，一连串的粒子相互作用产生了大量的电子-正电子对。

通过使用一套仪器测量产生的相对论电子-正电子束，并将结果与复杂的计算机模拟结果进行比较，阿罗史密斯及其合作者发现，电子-正电子束中的电子-正电子对数量超过十万亿对，是以前的十倍到百倍，首次超过了维持等离子体状态所需的数量。

阿罗史密斯说："电子-正电子等离子体被认为在天体物理喷流中扮演着重要角色，但这些等离子体和喷流的计算机模拟从未在实验室中进行过测试。实验室实验是验证模拟的必要条件，因为看似合理的模拟计算简化有时会导致截然不同的结论"。

该结果是火球合作项目在 HiRadMat 进行的一系列实验的第一个结果。

"这些实验的基本理念是在实验室中重现天体物理现象的微观物理学，例如来自黑洞和中子星的喷流，"论文合著者、首席研究员吉安卢卡-格雷戈里（Gianluca Gregori）说。"我们对这些现象的了解几乎完全来自天文观测和计算机模拟，但望远镜无法真正探测微观物理，模拟也涉及近似值。像这样的实验室实验是这两种方法之间的桥梁。"

阿罗史密斯及其同事在 HiRadMat 等离子体实验中的下一个目标是让这些强大的射流在一米长的等离子体中传播，并观察它们之间的相互作用是如何产生磁场使射流中的粒子加速的--这是高能天体物理学中最大的难题之一。

"火球实验是 HiRadMat 最新增加的实验项目之一，"该设施的运营经理 Alice Goillot 说。"我们期待着利用欧洲核子研究中心加速器综合体的独特性能继续重现这些罕见的现象。"

编译自/scitechdaily