首次直接观测到一种难以捕捉的不稳定性

瑞利-泰勒不稳定性 是流体动力学中一个众所周知的现象。它发生在均匀引力场中，当密度更大的流体位于密度较小的流体之上时，任何扰动都会造成两种流体界面上的平衡不稳定性。而 当存在 磁场 时，这种不稳定性被称为 磁瑞利-泰勒不稳定性 。

长期以来，科学家都希望能够观测到由 等离子体 和磁场的相互作用所引起的磁瑞利-泰勒不稳定性，但一直未能成功。 在一篇于近期发表在 《物理评论研究》的论文中，一个国际物理学家团队表明，他们利用一种 新的测量技术，首次通过实验 直接观测到了这一现象。

第四种物态

固态、液态和气态，是我们日常生活中都非常熟悉的物态。但其实，还有第四种非常重要的物态，那就是等离子体。 当中性气体被加热到一些电子会从原子或分子中分离出来时，物态就会发生变化，变成等离子体。

在等离子体中，磁场可以极大地影响瑞利-泰勒不稳定性的演化以及等离子体输运。 无论是在星系之间，还是在被称为托卡马克的聚变装置中，带电的等离子体经常与强大的磁场相遇，进而改变形状，在空间中晃动。

但要通过实验观测来捕捉这种效应，并非易事。

捕捉前所未见的细节

在新的 实验中 ，研究人员向一个装有各种氢和氦原子制成的燃料丸发射激光，使燃料升温，进而发生聚变反应，并 产生大量的质子和X射线 。

此外，他们还在燃料丸附近安装了一张带有小孔的网格片。当质子流过网格片的孔时，流出的质子就会被分离成小而独立的粒子束，这些粒子束会因为周围的磁场而弯曲。

通过将由于网格片而发生了畸变的图像，与由X射线产生的未发生畸变的图像进行比较，研究人员就可以理解磁场是如何被膨胀的等离子体推动，进而导致边缘处出现漩涡状的不稳定性结构的。

等离子体与磁场相互作用的艺术构想图。（图/Kyle Palmer / PPPL Communications Department）

在实验中，研究人员对 质子射线照相术 进行了改进，以极高的精度进行了测量，进而绘制出了由于等离子体膨胀产生的压力所造成的磁场向外弯曲的详细图像。 他们观察到， 当这些等离子体推动磁场时，被称为磁瑞利-泰勒不稳定性的鼓泡和起泡现象就会在边界处爆发，创造出类似 蘑菇的结构 。 ‍‍

此外，研究人员还发现，随着等离子体能量的减弱，磁场线迅速恢复到原本的位置。这时，等离子体就被压缩成一个类似于从黑洞流出的 等离子体喷流结构 。 这一结果或许能为了解形成与恒星之间的巨大的等离子体喷流结构提供见解。

长期以来，可以延伸到数倍于星系大小的距离的等离子体喷流结构的成因一直成谜。新的研究结果意味着，这样的喷流有可能是由实验中所观察到的压缩磁场所产生的。

创建更好的模型

这是一项突破性的实验，因为它让 研究人员可以直接看到磁场随时间的演变。他们直接观测到了磁场是如何被推动的，并以一种“你来我往”的类似拔河的方式与等离子体相互作用。

研究人员计划在未来将进行更多实验，以帮助改进膨胀等离子体的模型。一直以来，科学家都假设，在等离子体膨胀的情况下，密度和磁性会直接发生变化，但事实证明，这并不正确。

现在，研究人员已经非常准确地测量了这些不稳定性，有了改进模型所需的信息，并有可能比以前更高程度地模拟和理解天体物理学喷流。更重要的是，它表明现在科学家可以在实验室中，就制造出通常只存在于太空中的东西。