作为PK-4实验的一部分，微小的球形颗粒悬浮在低温等离子体（紫色）中，以便研究人员监测它们在带电微重力环境中的行为。（图片来源：马克斯·普朗克地外物理研究所/M. Kretschmer）尘埃无处不在，遍布全球的家庭和办公室。但现在，科学家们正有意将这种轻微不便的烦恼带到国际空间站，以研究尘埃颗粒在微重力环境中的排列方式。作为 Plasma Kristall-4 (PK-4) 实验——这是欧洲空间局（ESA）和俄罗斯联邦航天局（Roscosmos）的联合合作项目，并有多家美国研究机构参与——科学家们正在研究微小的球形颗粒，其宽度约为人类头发的十分之一，在低温等离子体中带电后如何相互作用。在地球上，实验表明带电尘埃颗粒通常会沿着或垂直于重力的向下方向排列；然而，它们的排列方式相当杂乱，因为颗粒倾向于随机碰撞。但当来自贝勒大学天体物理学、空间物理学和工程学研究中心（CASPER）的科学家在地球上方约250英里（400公里）的微重力环境下进行类似实验时，他们发现太空中的带电尘埃颗粒倾向于表现出令人惊讶的秩序。“地球上的重力至少与尘埃颗粒之间的电场力一样强，”CASPER主任兼研究负责人Truell Hyde在新闻发布会上说。他说，由于重力有助于颗粒沉降，“在微重力环境下，我们期望尘埃颗粒会分散开。相反，我们发现尘埃颗粒与等离子体中的原子之间的小作用力对系统施加了秩序。” 研究人员发现，将尘埃颗粒引入微重力环境并没有像他们预期的那样导致更多的混乱。恰恰相反。他们发现，重力影响的减弱使得等离子体内的力能够将尘埃颗粒排列成相对直线——尽管颗粒在这些直线内会稍微扭动一下。在原子尺度上，分子间力会克服重力（相对较弱）和湍流环境（在一定程度上）。而在最大的尺度上，重力在恒星、星系和星系团的最终形态中起着关键作用。然而，PK-4实验探索的是中间地带。根据Hyde的说法，“这项实验可能有助于解释在非常小和非常大的尺寸之间，结构是如何形成的。” 带电尘埃颗粒在太空中很常见，无论是在恒星周围、星际介质中，还是在行星形成盘内。通过了解这些带电粒子如何在微重力等离子体中排列，研究人员希望更好地理解控制它们行为的基本物理原理。这些研究最终将有助于阐明我们尚未完全理解的一系列天体物理对象和过程。因此，尽管PK-4实验的新结果仍然有些抽象，但从长远来看，它们将有助于天文学家更好地模拟控制宇宙带电粒子运动和分布的物理模型。通过这样做，我们将最终更深入地了解微小的尘埃颗粒如何帮助塑造宇宙。
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