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国家加速器实验室发现高能电子如何增强磁场

2021-07-28 16:58          伽马射线美国加速器实验室 宇宙射线

电子的运动携带电流,产生磁场。通常,来自背景等离子体的电荷会通过移动以抵消该电流来干扰该电流,从而难以产生强磁场。来自美国能源部国家加速器实验室(SLAC)的一组科学家发现,高能电子实际上可以驱逐背景等离子体以产生一个洞,使等离子体更难抵消它们的电流,并大大增强了磁场。图片来源:国家加速器实验室

超过 99% 的可见宇宙都处于过热状态,称为等离子体——一种由电子和离子组成的电离气体。这些带电粒子的运动产生磁场,形成星际磁网。这些磁场对许多过程都很重要,从星系的形成和恒星的形成到控制宇宙射线等高能粒子的运动和加速度,如宇宙射线--以近乎光速在宇宙中放大的质子和电子。

在之前的研究中,科学家们发现在产生高能电子的区域,磁场会增强。但直到现在,高能粒子影响磁场的方式还不是很清楚。在5 月份发表在《物理评论快报》封面上的一篇论文中,来自美国能源部国家加速器实验室(SLAC)的研究人员展示了电子如何将磁场放大到比以前已知的强度高得多的强度。

电子的运动携带电流,产生磁场。通常,来自背景等离子体的电荷会通过移动以抵消该电流来干扰该电流,从而难以产生强磁场。研究人员通过数值模拟和理论模型发现,高能电子实际上可以驱逐背景等离子体以产生一个洞,从而使等离子体更难抵消它们的电流。

“当电流暴露时,会产生强磁场,进一步将背景等离子体推开,产生更大的孔洞,使更多的电流暴露在外,并产生更强的磁场,”Ryan Peterson 博士说。斯坦福大学和 SLAC 的学生,他是该出版物的第一作者。“最终,这些磁场变得强大到能使电子弯曲并减慢速度。”

这个过程可能在宇宙中最明亮、最有活力的电磁事件中起作用:被称为伽马射线爆发的极端爆炸。观测表明,磁场必须被高能粒子显着放大才能产生观测到的辐射,但直到现在,磁场增强的方式一直是个谜。

“每次发现一个新的基本过程时,它都会在不同的研究领域产生重要的影响和应用,”从事这项研究并领导 SLAC 高能量密度科学理论小组的科学家 Frederico Fuiza 说。“在这种情况下,众所周知,高能电子对磁场的放大不仅对极端天体物理环境(如伽马射线暴)很重要,而且对基于电子束的实验室应用也很重要。”

研究人员目前正在研究新的模拟,以更好地了解这一过程在伽马射线爆发中的作用。他们还希望找到在实验室实验中重现它的方法,这将是开发紧凑型高能辐射源的重要一步。这些来源将使科学家能够以极高的分辨率拍摄原子尺度的物质照片,以用于医学、生物学和材料研究。

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