銀河系很少單獨存在。相反，會有幾十個到幾千個銀河系被引力吸引到一起進而形成一個巨大的星系團，這是其成為宇宙中最大的天體。“星系團是宇宙中最令人敬畏的事物之一，”芝加哥大學天體物理學家、2022年3月9日發表在《科學》上的一篇新論文的共同作者Don Lam教授說道。
據悉，這篇論文可能為解開一個長達幾十年的謎團指明方向。
科學家們早就知道，星系團中的氫氣溫度高得嚇人–約1000萬開爾文度，或跟太陽中心的溫度大致相同，在這樣的高溫條件下，氫原子不可能存在。相反，這些氣體是由質子和電子組成的等離子體。
但一個難題依然存在。對於氣體為何或如何保持如此高的溫度並沒有直接的解釋。根據正常的物理學規則，它應該在宇宙的年齡內冷卻。但它並沒有。
對於任何試圖解決這一難題的人來說，挑戰在於你不可能在你的後院完全創造出這種強大的熱和磁條件。
然而現在地球上有一個地方你可以做到：世界上最有能量的激光設施。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火設施能夠創造這樣的極端條件–儘管只是在一角硬幣大小的體積中創造一小部分的時間。
來自芝加哥大學、牛津大學和羅切斯特大學的科學家們共同合作，他們通過利用位於加利福尼亞州利弗莫爾的國家點火設施來創造類似於巨大的星系團中的熱氣體的條件。作為論文第一作者的Jena Meinecke感嘆道：“在國家點火設施進行的實驗簡直是出神入化。”
科學家們將196個激光器集中在一個微小的目標上，並創造了一個帶有強烈磁場的白熱等離子體–其存在時間為幾十億分之一秒。
這足夠長的時間讓他們確定，等離子體中沒有均勻的溫度，而是存在着熱點和冷點。
這跟人們提出的關於熱量如何被困於星系團內的理論之一相吻合。通常情況下，熱量會隨着電子的相互碰撞而輕易分佈。但等離子體內部糾結的磁場會影響這些電子，進而使它們沿着磁場的方向旋轉–這可能會阻止它們均勻地分配和分散它們的能量。
事實上，研究人員在實驗中看到，能量的傳導被抑制了100倍以上。
“這是一個令人難以置信的結果，因為我們已經能夠證明天體物理學家提出的建議是在正確的軌道上，”Lamb說道。
研究報告的合著者、來自羅切斯特大學的教授Petros Tzeferacos則補充道：“這確實是一個驚人的結果。模擬是解開在湍流、磁化等離子體中起作用的物理學的關鍵，但熱傳輸抑制的水平超出了我們的預期。”
這些模擬是用一種叫做FLASH代碼的計算機代碼完成的，該代碼由芝加哥大學開發，現在則由Tzeferacos領導的羅切斯特大學計算科學Flash中心主持。該代碼允許科學家在做激光實驗之前對其進行精緻的模擬以便他們能夠實現他們所尋求的結果。
這一點很關鍵，因為科學家們只有寶貴的幾次機會–如果出了問題就沒有重做的機會。並且由於實驗條件只持續幾納秒，科學家們必須確保他們在正確的時間進行所需的測量。這意味着所有的事情都必須提前很長時間進行精確的規劃。
“當你處於可以做的非常極端的時候，這是一個挑戰，但那是前沿的地方，”Lamb說道。
然而關於星系團的物理學還存在更多的問題。儘管熱點和冷點是磁場對星系團中熱氣體冷卻的影響的確鑿證據，但還需要進一步的實驗來了解到底發生了什麼。該小組正在計劃今年晚些時候在NIF進行下一輪的實驗。
不過就目前而言，他們很高興已經揭示了星系團中的氣體即使在數十億年後仍很熱的原因。
Lamb表示：“這提醒我們，宇宙中充滿了神奇的東西。”