宇宙中最可见的物质看起来不像我们教科书上的原子核被束缚电子包围的图片。在我们的边界之外，在巨大的星系团内部，星系在等离子体的海洋中游动——等离子体是一种电子和原子核不系泊的物质。
尽管这种等离子体构成了宇宙中大部分可见物质，但人们对它的了解仍然很少;科学家们还没有一个理论能完全描述它的行为，尤其是在小尺度上。
然而，芝加哥大学的一位天体物理学家领导了一项研究，为这种等离子体的小规模物理学提供了一个全新的视角。利用美国宇航局的钱德拉x射线天文台,科学家们进行了详细观察等离子体在一个遥远的星系团,发现等离子体流的粘性比预期的要少得多,因此,动荡发生在相对较小的scales-an重要的发现为我们宇宙中最大的物体的数值模型。
天体物理学助理教授Irina Zhuravleva说:“高分辨率的x射线观测让我们了解到关于这些等离子体粘性的一些令人惊讶的事实。“人们可能认为，等离子体中出现的密度变化会很快被粘度抹去;然而，我们看到了相反的情况——等离子体找到了维持它们的方法。”
散布在宇宙各处的是巨大的星系团，其中一些星系团跨越数百万光年，包含数千个星系。它们位于一种我们无法在地球上重现的等离子体中。它极其稀少——大约是地球上空气密度的六次方倍——磁场非常弱，比我们在地球表面感受到的磁场弱数万倍。因此，要研究这种等离子体，科学家必须依赖于宇宙实验室，如星系团。
Zhuravleva和研究小组选择了一个相对较近的星系团，称为彗发星系团，这是一个由1000多个星系组成的巨大而明亮的星系团。他们选择了远离星团中心的一个密度较低的区域，希望能在那里捕捉到粒子与NASA钱德拉x射线天文台相互作用之间的平均距离。为了建立一个高质量的等离子体图，他们观察彗发星系团将近12天，比通常的观察时间长得多。
其中一个突出的问题是等离子体有多粘稠——它的搅拌有多容易。Zhuravleva说:“当我们将等离子体放大到越来越小的尺度时，我们有望看到它抵抗混沌运动的粘性。”但这并没有发生;即使在这么小的尺度上，等离子体也明显是湍流的。
她说:“事实证明，血浆的行为更类似于牛奶在咖啡杯中搅拌时的打旋运动，而不是蜂蜜搅拌时产生的更平滑的打旋运动。”
如此低的粘度意味着等离子体中的微观过程会在磁场中产生微小的不规则现象，导致粒子更频繁地碰撞，使等离子体的粘性降低。Zhuravleva说，另外，粘度可能会随着磁场线的方向和垂直方向而变化。
理解这些等离子体的物理特性对于改进我们的星系和星系团如何随时间形成和进化的模型至关重要。
朱拉夫勒瓦说:“我们能够利用对星系团的观察来了解星系间等离子体的基本性质，这是令人兴奋的。”“我们的观察证实，星系团是伟大的实验室，可以使等离子体的理论观点更加清晰。”
参与这项研究的其他科学家分别来自斯坦福大学、德国马普天体物理研究所、俄罗斯空间研究所、牛津大学、尼尔斯玻尔国际研究院、SLAC国家加速器实验室、哈佛-史密森天体物理中心、马萨里克大学、罗兰大学和广岛大学。
引文:“抑制了星系间大体积等离子体的有效粘度。朱拉夫勒瓦等人，《自然天文学》，2019年6月17日。DOI: 10.1038 / s41550 – 019 – 0794 – z
资助机构:美国宇航局、俄罗斯科学基金会、西蒙斯基金会、英国工程与物理科学研究理事会、英国科学与技术设施理事会、匈牙利科学院。