稀释的极端相对论性电子束通过电子-离子等离子体传播的二维模拟结果。（图片来源：SLAC National Accelerator Laboratory）
超过99%的可见宇宙都处于一种被称为等离子体（plasma）的过热状态（superheated state）中。等离子体是一种由电子和离子组成的电离气体（ionized gas）。这些带电粒子的运动产生磁场，并形成一个星际磁网。这些磁场在很多过程中具有重要作用，从星系和恒星的形成，到控制高能粒子的运动和加速，如宇宙射线，其中的质子和电子以接近光速的速度在宇宙中穿行。
在之前的研究中，科学家发现在高能电子产生的区域中，磁场会增强。但直到现在，我们对高能粒子如何影响磁场并没有很好的理解。在《物理评论快报》（Physical Review Letters）的文章中，美国能源部的SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）的研究人员展示了电子如何将磁场放大到比已知的高得多的强度。
电子的运动携带电流，并产生磁场。通常来说，来自背景等离子体的电荷会通过抵消的方式来干扰电流，使得强磁场难以产生。通过数值模拟和理论模型，研究人员发现高能电子实际上可以将背景等离子体逐出，并产生一个空穴，使得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，会进一步推开背景的等离子体，产生更大的空穴，使得更多的电流暴露在外，并产生更强的磁场。”Ryan Peterson说道，他是斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的博士生，也是该文章的第一作者，“最终，这些磁场变得非常强，它们会使电子弯曲并减慢电子的速度。”
稀释的极端相对论性电子束（沿x方向）通过电子-离子背景传播的3D模拟结果。（图片来源：SLAC National Accelerator Laboratory）
这个过程可能会在宇宙中最明亮、最具能量的电磁事件中发挥作用：即被称为伽马射线暴（Gamma Ray Burst）的极端爆炸。一些观测表明，磁场必须被高能粒子显著放大才能产生可被观察到的辐射，但是直到现在，磁场增强的方式还是个谜。
“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，”Frederico Fiuza说道，他参与了这项研究，领导SLAC国家加速器实验室的高能量密度科学小组，“在这种情况下，高能电子对磁场的增强不仅仅对极端的天体物理环境（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。”
康普顿伽玛射线天文台记录到的2千多个伽玛射线暴分布图。（图片来源：维基百科）
研究人员目前正在进行新的模拟，以更好地理解这一过程在伽马射线暴中所起的作用。他们还希望找到在实验室中重现它的方法，这是发展紧密型高能辐射源（radiation source）的重要一步。这些辐射源将使科学家能够在原子尺度上以极高的分辨率拍摄物质，以应用于医学、生物学和材料学研究。
作者：Ali Sundermier
翻译：李欣怡
审校：赵冰莹
引进来源：SLAC国家加速器实验室
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