欧洲核子研究中心实验有力支持星系际磁场假说，破解伽马射线“失踪”之谜

国际科研团队在实验室环境中成功重现了宇宙高能喷流的极端条件，标志着实验天体物理学迈出了重要一步。科学家们利用位于日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）的超级质子同步加速器（SPS），制造出等离子体“火球”，旨在探究一个长期困扰宇宙学的难题：高能伽马射线在穿梭星系际空间时为何神秘消失。这项关键研究的详细成果已于2025年11月3日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，它将抽象的理论宇宙学与具体的地面实验紧密结合起来。

研究的焦点是耀变体（Blazars）。这些星系拥有超大质量黑洞，能够以接近光速的速度向地球喷射出强大的辐射和粒子束。它们发射出强度极高的太电子伏特（TeV）伽马射线。根据理论预测，这些射线在穿越太空时，会与宇宙背景光发生相互作用，产生电子-正电子对。随后，这些粒子对会通过与宇宙微波背景（CMB）散射，产生次级的、能量较低的伽马射线。然而，包括费米卫星在内的空间观测设备，始终未能检测到这种预期的次级辐射，这在天体物理学界留下了一个巨大的问号。

为了解释这种能量亏损，学界提出了两种主要理论：一是星系际介质中弥漫着微弱的磁场，它巧妙地偏转了粒子对的路径；二是粒子束在穿越稀疏的宇宙物质时变得不稳定，产生了自我强化的磁场，从而耗散了能量。由牛津大学和STFC中央激光设施（CLF）合作的研究团队，利用CERN的HiRadMat设施对这些假设进行了直接检验。他们通过SPS生成电子-正电子对，并使其穿过一段一米长的环境等离子体，以此模拟耀变体驱动的级联反应在星系际等离子体中的传播过程。

实验测量得出了明确的结论：粒子对束流保持了惊人的狭窄和近乎平行，几乎没有证据表明存在自生磁场或破坏性的不稳定性。这一观察结果有力地表明，束流-等离子体不稳定性并非导致吉电子伏特（GeV）伽马射线缺失的主要原因。因此，实验为涉及外部磁场的替代性假说提供了坚实的经验支持。该研究的首席研究员、牛津大学的詹卢卡·格雷戈里（Professor Gianluca Gregori）教授指出，这些实验室工作有效地将抽象理论与具体观测联系起来，加深了我们对遥远天体物理现象的理解。

这一发现的核心意义在于，它强有力地支持了普遍存在的星系际磁场的存在，该磁场可能是宇宙诞生初期遗留下来的古老痕迹。研究的焦点由此从仅仅解释缺失的伽马射线，转向理解这种宇宙磁场的起源本身。实验中观察到的束流稳定性，暗示着存在一个外部的磁性支架，这促使科学家们必须探寻该磁场的初始来源，并将这种宇宙结构视为揭示宇宙初始条件的重要线索。