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銀河系很少單獨(dú)存在。相反，會(huì)有幾十個(gè)到幾千個(gè)銀河系被引力吸引到一起進(jìn)而形成一個(gè)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(shuō)道。
據(jù)悉，這篇論文可能為解開(kāi)一個(gè)長(zhǎng)達(dá)幾十年的謎團(tuán)指明方向。
科學(xué)家們?cè)缇椭溃窍祱F(tuán)中的氫氣溫度高得嚇人--約1000萬(wàn)開(kāi)爾文度，或跟太陽(yáng)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(gè)難題依然存在。對(duì)于氣體為何或如何保持如此高的溫度并沒(méi)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(méi)有。
對(duì)于任何試圖解決這一難題的人來(lái)說(shuō)，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(gè)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)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(shí)間。
來(lái)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(guò)利用位于加利福尼亞州利弗莫爾的國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施來(lái)創(chuàng)造類(lèi)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(guó)家點(diǎn)火設(shè)施進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)直是出神入化。”
科學(xué)家們將196個(gè)激光器集中在一個(gè)微小的目標(biāo)上，并創(chuàng)造了一個(gè)帶有強(qiáng)烈磁場(chǎng)的白熱等離子體--其存在時(shí)間為幾十億分之一秒。
這足夠長(zhǎng)的時(shí)間讓他們確定，等離子體中沒(méi)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(huì)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(chǎng)會(huì)影響這些電子，進(jìn)而使它們沿著磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)--這可能會(huì)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(gè)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(shuō)道。
研究報(bào)告的合著者、來(lái)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(gè)驚人的結(jié)果。模擬是解開(kāi)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。”
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(kāi)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(duì)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(huì)--如果出了問(wèn)題就沒(méi)有重做的機(jī)會(huì)。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?cè)谡_的時(shí)間進(jìn)行所需的測(cè)量。這意味著所有的事情都必須提前很長(zhǎng)時(shí)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(shí)候，這是一個(gè)挑戰(zhàn)，但那是前沿的地方，”Lamb說(shuō)道。
然而關(guān)于星系團(tuán)的物理學(xué)還存在更多的問(wèn)題。盡管熱點(diǎn)和冷點(diǎn)是磁場(chǎng)對(duì)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(lái)了解到底發(fā)生了什么。該小組正在計(jì)劃今年晚些時(shí)候在NIF進(jìn)行下一輪的實(shí)驗(yàn)。
不過(guò)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(mǎn)了神奇的東西。”
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