冒泡 起泡和晃动长期假设的等离子体不稳定性终于被观察到

无论是在星系之间，还是在被称为托卡马克的环形聚变装置内，带电的物质第四态等离子体都会定期遇到强大的磁场，从而改变形状并在太空中晃动。现在，一种使用质子(构成原子核的亚原子粒子)的新测量技术首次捕捉到了这种晃动的细节，有可能为了解恒星之间巨大等离子体喷流的形成提供参考。

美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家绘制了详细的磁场图片，这些磁场由于膨胀等离子体产生的压力而向外弯曲。随着等离子体推动磁场，边界上出现了被称为磁瑞利泰勒不稳定性(magneto-RayleighTaylorinstabilities)的气泡和泡沫，形成了类似柱子和蘑菇的结构。

然后，随着等离子体能量的减弱，磁场线又回到了原来的位置。结果，等离子体被压缩成一种直线结构，类似于从超度死星(即黑洞)喷出的等离子体喷流，喷流的距离是星系大小的很多倍。结果表明，这些喷流(其成因仍是一个谜)可能是由本研究中观察到的相同压缩磁场形成的。

“当我们进行实验并分析数据时，我们发现了一些重大发现，”PPPL研究员物理学家兼该论文的首席科学家索菲亚·马尔科(SophiaMalko)说。

“长期以来，人们一直认为等离子体与磁场相互作用会产生磁瑞利泰勒不稳定性，但直到现在才直接观察到。这一观察有助于证实这种不稳定性是在膨胀等离子体遇到磁场时发生的。我们不知道我们的诊断结果会有如此高的精度。我们整个团队都很激动。”

“这些实验表明，磁场对于等离子体喷流的形成非常重要，”PPPL研究物理学家、《物理评论研究》报道的研究首席研究员威尔·福克斯(WillFox)说。“现在我们可能已经了解了产生这些喷流的原因，理论上我们可以研究巨大的天体物理喷流并了解一些有关黑洞的知识。”

PPPL在开发和构建诊断传感器方面拥有专业知识，这些传感器可以在各种条件下测量等离子体的密度和温度等特性。这项成就是近年来实验室在推进等离子体物理学测量创新方面取得的多项成就之一。

使用新技术来产生前所未有的细节

研究团队改进了质子射线照相术测量技术，为这项实验创造了一种新的变体，可以进行极其精确的测量。为了产生等离子体，研究团队将强大的激光照射到一小块塑料盘上。为了产生质子，他们用20束激光照射一个装有由各种氢原子和氦原子组成的燃料的胶囊。随着燃料的升温，发生了聚变反应，产生了质子和强光(称为X射线)的爆发。

研究小组还在舱室附近安装了一张带有小孔的网格。当质子流过网格时，流出的质子被分成小束，这些质子束会因周围磁场而弯曲。通过将扭曲的网格图像与X射线产生的未扭曲图像进行比较，研究小组可以了解磁场是如何被膨胀的等离子体推来推去的，从而导致边缘出现类似旋涡的不稳定性。

“我们的实验非常独特，因为我们可以直接看到磁场随时间的变化，”福克斯说。“我们可以直接观察到磁场如何被推出，并像拔河一样对等离子体做出反应。”

实现研究组合多元化

这些发现表明PPPL正在扩大研究范围，将重点放在高能量密度(HED)等离子体上。这种等离子体(如本次实验的燃料舱中产生的等离子体)比聚变实验中使用的等离子体更热、更致密。“HED等离子体是等离子体物理学一个令人兴奋的发展领域，”福克斯说。

“这项工作是PPPL推动该领域发展的努力的一部分。研究结果显示实验室可以如何创建先进的诊断技术，让我们对这种等离子体有新的认识，这种等离子体可用于激光聚变装置，以及使用HED等离子体为微电子制造产生辐射的技术。”

福克斯说：“PPPL在磁化等离子体方面拥有丰富的知识和经验，可以为激光产生的HED等离子体领域做出贡献并做出重大贡献。”

“HED科学是复杂、迷人的，也是理解各种现象的关键，”PPPL战略与合作实验室副主任兼副首席研究官LauraBerzakHopkins说道。“以受控方式产生这些条件并开发用于精确测量的先进诊断方法极具挑战性。这些令人兴奋的结果展示了将PPPL广泛的技术专长与创新方法相结合所产生的影响。”

更多实验和更好的模拟

研究人员计划在未来开展实验，以改进膨胀等离子体的模型。马尔科说：“科学家们曾假设，在这些情况下，密度和磁性会直接变化，但事实证明并非如此。”

“现在我们已经非常准确地测量了这些不稳定性，我们拥有改进模型所需的信息，并有可能比以前更高程度地模拟和理解天体物理喷流，”马尔科说。“有趣的是，人类可以在实验室中制造出通常存在于太空中的东西。”

合作者包括加州大学洛杉矶分校、索邦大学、普林斯顿大学和密歇根大学的研究人员。