实验室探索宇宙磁场机制

等离子体是一种温度高到电子与原子分离的物质。电子自由漂浮，原子变成离子。这产生了一种电离气体——等离子体——几乎构成了整个可见宇宙。最近的研究表明，磁场可以自发地出现在等离子体中。如果等离子体具有温度各向异性(温度沿不同空间方向不同)，就会发生这种情况。

这种机制被称为Weibel不稳定性。六十多年前，等离子体理论家埃里克·韦贝尔(EricWeibel)就预测到了这一点，但直到现在才在实验室中得到明确观察。现在发表在美国国家科学院院刊上的新研究发现，这个过程可以将存储在温度各向异性中的能量的很大一部分转化为磁场能量。它还发现，威贝尔不稳定性可能是贯穿整个宇宙的磁场来源。

我们可观测宇宙中的物质是等离子态的，并且被磁化了。微高斯水平的磁场(大约是地球磁场的百万分之一)弥漫在星系中。这些磁场被认为是通过星系的螺旋运动从弱种子场放大的，称为银河发电机。种子磁场是如何产生的是天体物理学中一个长期存在的问题。

这项新工作为微高斯级种子磁场的起源这一棘手问题提供了可能的解决方案。该研究使用了一个新颖的平台，该平台具有研究与天体和高能量密度物理学相关的实验室等离子体中磁场的超快动力学的巨大潜力。

六年前首次提出理论，温度各向异性驱动的威贝尔不稳定性被认为是许多实验室和天体物理等离子体自磁化的重要机制。然而，科学家们在明确证明威贝尔不稳定性方面面临着两个挑战。首先，直到最近，研究人员才能够产生Weibel最初设想的具有已知温度各向异性的等离子体。其次，研究人员没有合适的技术来测量等离子体中随后产生的复杂且快速发展的磁场拓扑结构。

这项工作得益于布鲁克海文国家实验室能源部(DOE)用户设施加速器测试设施的独特功能，采用了一个新颖的实验平台，使研究人员能够创建具有已知高度各向异性电子速度分布的氢等离子体通过使用超短但强烈的二氧化碳激光脉冲，在万亿分之一秒的时间尺度上。

随后的等离子体热化通过等离子体电流的自组织发生，该等离子体电流产生由Weibel不稳定性驱动的磁场。这些场大到足以使相对论电子发生偏转，从而在距离等离子体一定距离处显示出磁场图像。研究人员通过使用一皮秒的相对论电子束探测这些磁场，获得了这些磁场演化的影片，具有精确的时空分辨率。