中國科學家首次在實驗室實現激光驅動湍流磁重聯

湍流磁重聯可能觸發太陽耀斑的假想圖。（仲佳勇供圖）

我國科研人員依托上海高功率激光物理國家實驗室“神光Ⅱ”裝置，首次在實驗室實現激光驅動湍流磁重聯物理過程，并通過標度變換用于解釋太陽耀斑爆發現象，實驗證實湍流過程對耀斑快速觸發以及高能帶電粒子加速的重要性。相關成果論文于1月17日刊發在《自然—物理》上。

論文通訊作者、北京師范大學天文系教授仲佳勇告訴《中國科學報》， 這項工作的重要意義在于實驗上首次利用激光等離子體實現了湍流磁重聯，激光等離子體更加容易標度變換到太陽耀斑等離子體，從而可以在地面對太陽耀斑內部的物理過程進行更加細致和系統的定量研究。

另外一方面，發現湍流磁重聯中，高能電子的加速主要來源于重聯平行電場，而費米加速過程可以忽略，這對傳統的高能電子加速機制提出新的認識和理解。

太陽耀斑是一種最劇烈的太陽活動現象，一次典型耀斑的爆發相當于數十億枚氫彈的爆炸，耀斑能產生多波段輻射，劇烈的耀斑會嚴重影響日地空間環境，對人類生活存在巨大影響，所以認識和了解耀斑活動具有重大意義。目前耀斑觸發理論的基本出發點之一是磁重聯。

磁重聯是等離子體中方向相反的磁力線因互相靠近而發生的重新聯結的過程，重聯會將磁能快速轉化為等離子體熱能和動能。在天體物理中磁重聯模型還被廣泛的應用于恒星形成、太陽風與地球磁層的耦合、吸積盤物理以及伽瑪暴研究中。

湍流磁重聯是等離子磁流體中磁場能量耗散的最有效的方式之一，其觀測特征是存在速度或磁場渦旋結構、多重聯點、等離子體團的分裂、破碎以及加速高能電子和離子等現象，然而激光驅動湍流磁重聯尚未在實驗室得到直接的證實和系統的研究。

仲佳勇領導的實驗室天體物理研究團隊，長期專注于利用強激光近距離、主動可控的模擬各類天體等離子體物理過程。

早在2010年，仲佳勇與合作者利用上海高功率激光物理國家實驗室“神光Ⅱ”號裝置巧妙的構造了激光等離子體磁重聯拓撲結構，成功模擬了太陽耀斑中環頂X射線源和重聯噴流。該項工作開辟了實驗室天體物理研究的新領域，并獲得了2011年度中國科學十大進展。

仲佳勇介紹，利用高能量激光系統，科學家們能夠在實驗室中獲得極端的物理實驗條件，模擬多種高能量密度天體物理現象。這種研究方法不僅可以用來驗證天文觀測的理論模型，而且為發現新物理提供新途徑。在太陽等離子體中湍流過程無處不在，它可以促進磁重聯過程的快速發生，反過來磁重聯也會加快湍流過程，進而達到磁場以及磁流體能量的快速耗散。

團隊在前期工作的基礎上，提出了利用“神光Ⅱ”四路激光多點燒蝕金屬靶，設計具有微擾特征并且磁性相反的等離子體磁環來增大磁場相互作用區，進而實現湍流磁重聯的實驗構想。

論文第一作者，北京師范大學天文與天體物理前沿所研究人員平永利博士介紹，實驗中首次發現相互作用區形成的電流片呈現碎片化結構，采用傅里葉譜分析方法獲得功率譜信息，并發現該功率譜符合典型等離子體湍流冪律譜特征。

她表示，通過時空標度變換發現實驗室湍流與太陽耀斑小尺度湍流結構一致，并且在電流片出流方向的電子能譜呈現非熱的冪律譜特征，通過數值理論模擬發現，在湍流磁重聯過程中，高能電子主要被重聯平行電場所加速，而回旋過程在出流區域對電子起到了減速作用，同時費米的加速效應可以忽略不計，這些研究成果為理解太陽耀斑高能粒子起源和加速過程具有重要意義。

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