歐洲核子研究組織的突破：實驗室重現耀變體電漿，指向宇宙遺留的磁場

由牛津大學（Oxford University）專家領銜的國際科學家團隊，近日宣布在實驗室天體物理學領域取得重大突破：他們首次成功在高度受控的環境下，重現了電漿「火球」。這項實驗是在歐洲核子研究組織（CERN）的超級質子同步加速器（Super Proton Synchrotron, SPS）上進行的，旨在探究源自耀變體（blazars）的粒子流穩定性，並釐清伽馬射線虧缺之謎，以及隱藏的宇宙磁場是否真實存在。這項重要的研究成果已於 2025 年 11 月 3 日發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。

這項開創性工作的核心，是透過模擬由耀變體所引發的對級聯（pair cascades），以經驗性地驗證關於星系際磁場性質的假設。研究人員，包括 Gianluca Gregori 教授、來自 STFC 中央雷射設施的 Bob Bingham 教授，以及 Subir Sarkar 教授，利用了 HiRadMat 設施來產生電子－正電子對。隨後，這些粒子對被導引穿過一個充滿周圍電漿、長度為一公尺的區域。這種設置有效地模擬了耀變體輻射在穿越廣闊星系際介質時的傳播過程。

這項實驗所要解決的關鍵問題，涉及能量在吉電子伏特（GeV）範圍內的伽馬射線為何會莫名消失。根據理論計算，這些 GeV 射線應是源自耀變體發射的更高能量太電子伏特（TeV）射線級聯所產生的。過去存在兩種主要的解釋版本：一是射線被微弱的星系際磁場偏轉；二是粒子對束流中產生了自發性不穩定性，進而產生散射輻射的磁場。然而，對束流輪廓和磁訊號的分析顯示了一個令人驚訝的結果：該粒子對束流保持著極窄且幾乎平行的狀態。這項觀察證明，其自發作用或產生自身磁場的程度微乎其微。

將此實驗室結果推廣至宇宙尺度，有力地證明了束流－電漿不穩定性實在過於輕微，不足以解釋 GeV 伽馬射線的虧缺現象。因此，這項觀察結果堅實地支持了星系際空間中已存在磁場的理論，該磁場很可能是從宇宙最早期繼承而來的「遺留磁場」。這場將極端宇宙現象帶入地球實驗室的方法學勝利，使推測性的模型得以進行經驗驗證。然而，在排除了一種假設的同時，該實驗也加深了關於這個原始磁場是如何在早期宇宙中「播種」的謎團。研究人員認為，要解答這個深奧的問題，可能需要對超越標準模型的物理學進行重新審視。