北京师范大学天文系、天文与天体物理前沿科学研究所科研团队近期在实验室天体物理研究方向取得重要进展。该团队利用上海高功率激光物理国家实验室“神光Ⅱ”装置，首次在实验室实现激光驱动等离子体湍流磁重联过程。

(资料图)

研究成果于2023年1月17日在线发表在Nature Physics上，北京师范大学天文与天体物理前沿科学研究所平永利博士为论文第一作者，天文系仲佳勇教授为通讯作者。

研究团队

仲佳勇教授带领的北师大实验室天体物理研究团队，长期专注于利用强激光近距离、主动可控的模拟各类天体等离子体物理过程。早在2010年，仲佳勇与合作者利用上海高功率激光物理国家实验室“神光Ⅱ”号装置构造了激光等离子体磁重联拓扑结构，成功模拟了太阳耀斑中环顶X射线源和重联喷流。该项工作开辟了实验室天体物理研究的新领域，并获得了2011年度中国科学十大进展（Nature Physics 6, 984）。

在此基础上，近年来团队在该领域发表了一系列研究成果，尤其是提出利用增加激光打靶点增长磁重联电流片，进而实现等离子体湍流磁重联的实验获得重要突破。湍流磁重联是等离子体磁场能量耗散的有效方式之一，其耗散区包含多个重联点、呈现分裂、破碎以及加速高能电子和离子等现象，广泛的存在于太阳、日地空间等天体等离子体环境中。

研究成果

太阳耀斑是一种剧烈的太阳活动现象，一次典型的耀斑爆发相当于数十亿枚氢弹爆炸。耀斑可产生多波段辐射，剧烈的耀斑会严重影响日地空间环境，乃至影响人类生活，因此认识和了解太阳耀斑意义重大。

带有日冕物质抛射的太阳耀斑示意图

目前，耀斑触发理论的基本出发点之一是磁重联。磁重联是等离子体中方向相反的磁力线因互相靠近而发生的重新联结的过程，重联会将磁能快速转化为等离子体热能和动能。

湍流磁重联是等离子磁流体中磁场能量耗散的最有效方式之一，其观测特征是存在速度或磁场涡旋结构、多重联点，等离子体团的分裂、破碎以及加速高能电子和离子等现象，然而激光驱动湍流磁重联尚未在实验室得到直接证实和系统研究。

湍流磁重联可能触发太阳耀斑的艺术图

论文通讯作者、北京师范大学天文系教授仲佳勇介绍，目前的理论认为磁重联导致了耀斑触发。磁重联是等离子体中方向相反的磁力线因互相靠近而发生的重新联结的过程，重联会将磁能快速转化为等离子体热能和动能。在天体物理中，磁重联模型还被广泛应用于恒星形成、太阳风与地球磁层的耦合、吸积盘物理以及伽玛暴研究。

激光驱动湍流磁重联三维模拟图像

论文第一作者、北京师范大学天文与天体物理前沿所平永利博士介绍，实验中首次发现相互作用区形成的电流片呈现碎片化结构，采用傅里叶谱分析方法获得功率谱信息，并发现该功率谱符合典型等离子体湍流幂律谱特征。

她表示，通过时空标度变换发现，实验室湍流与太阳耀斑小尺度湍流结构一致，并且在电流片出流方向的电子能谱呈现非热的幂律谱特征；通过数值理论模拟发现，在湍流磁重联过程中，高能电子主要被重联平行电场加速，而回旋过程在出流区域对电子起到了减速作用，同时费米的加速效应可以忽略不计。这些研究成果为理解太阳耀斑高能粒子起源和加速过程具有重要意义。

北师大天体等离子体模拟实验团队在神光II装置

开展湍流磁重联物理实验

依托上海高功率激光物理国家实验室“神光Ⅱ”装置，我国科研人员首次在实验室实现激光驱动湍流磁重联物理过程。实验通过时空标度变换发现实验室湍流与太阳耀斑小尺度湍流结构一致，并且在电流片出流方向的电子能谱呈现非热幂律谱等特征，为理解太阳耀斑高能粒子起源和加速过程提供重要依据。

“利用国家实验室提供的高能量激光系统，科学家们能够在实验室中获得极端的物理实验条件，模拟多种高能量密度天体物理现象。”仲佳勇说，这种研究方法不仅可以用来验证天文观测的理论模型，而且可以为发现未知的新物理过程提供途径。

该项研究由北京师范大学、哈尔滨工业大学、中国科学院国家天文台、中国科学院物理研究所、北京大学、深圳技术大学、上海高功率激光物理国家实验室、上海交通大学等研究团队联合完成，项目得到了科技部、国家自然科学基金委员会和中科院先导专项资金的资助支持。

【媒体聚焦】

新华社 2023年1月17日新华视点

《中国科学报》2023年1月17日第1版

《科技日报》2023年1月18日第2版

标签： 等离子体