歐洲核子研究中心實驗強力佐證星系際磁場為伽馬射線缺失之解方

國際研究團隊成功在實驗室環境中重現了高能宇宙噴流的極端條件，這標誌著實驗天體物理學的重大進展。科學家們利用位於日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）的超級質子同步加速器（SPS），製造出「電漿火球」，藉此探究一個長久以來困擾宇宙學界的謎團：高能伽馬射線在穿越星系際空間時神祕消失的現象。這項關鍵研究的成果已於 2025 年 11 月 3 日詳載於《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，成功將抽象的理論宇宙學與具體的地面實驗相結合。

這項調查的核心關注點是耀變體（blazars），這類星系擁有超大質量黑洞，能以接近光速的速度向地球噴射強大的輻射和粒子束。耀變體會發射出強度極高的太電子伏特（TeV）伽馬射線。根據理論預期，當這些射線在太空中傳播時，會與背景光發生相互作用，進而產生電子—正電子對。接著，這些粒子對應當透過與宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background）的散射，產生次級的低能伽馬射線。然而，包括費米衛星（Fermi satellite）在內的太空觀測儀器，卻始終未能偵測到這種預期的次級輻射，這對天體物理學家來說是一個巨大的難題。

為了合理解釋這種輻射不足的現象，學界提出了兩種主要假說：一是星系際介質中瀰漫著微弱的磁場，微妙地使粒子對發生偏轉；二是粒子束在穿越稀疏的宇宙物質時變得不穩定，產生自我強化的磁場，從而耗散能量。由牛津大學（University of Oxford）和 STFC 中央雷射設施（CLF）合作組成的研究團隊，利用 CERN 的 HiRadMat 設施來直接檢驗這些假設。他們透過 SPS 產生電子—正電子對，並將其導引通過一米長的環境電漿，藉此模擬耀變體驅動的級聯反應在星系際電漿中的傳播過程。

實驗測量結果提供了一個明確的答案：這束粒子對流保持著驚人的狹窄性，且幾乎是平行的，極少有證據顯示存在自我生成的磁場或破壞性的不穩定性。這項觀察強烈暗示，粒子束—電漿不穩定性並非造成低能（GeV）伽馬射線缺失的主因。因此，實驗結果為涉及外部磁場的替代假說提供了實質性的經驗支持。首席研究員、牛津大學的 Gianluca Gregori 教授指出，這些實驗室工作有效地將抽象理論與具體觀測聯繫起來，深化了我們對遙遠天體物理現象的理解。

這項發現的核心意義在於，它強烈支持了瀰漫性星系際磁場（Intergalactic Magnetic Field, IMF）的存在，這磁場很可能源自宇宙誕生之初的古老遺蹟。這一結果將科學界的焦點從單純解釋「消失的伽馬射線」轉向理解「宇宙磁性」本身的起源。實驗室中觀察到的穩定性，暗示著存在著外部磁場的支撐結構，這迫使科學家們現在必須追溯該磁場的初始來源，將這種宇宙結構視為解讀宇宙初始條件的深刻線索。