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科研人员在实验室实现激光驱动湍流磁重联
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。

  记者从北京师范大学了解到,我国科研人员依托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湍流磁重联物理过程,并通过标度变换用于解释太阳耀斑爆发现象,实验证实湍流过程对耀斑快速触发以及加速高能带电粒子的重要性。相关论文于北京时间1月17日刊发在《自然物理》期刊上。

  太阳耀斑是一种最剧烈的太阳活动现象,一次典型耀斑爆发释放的能量相当于数十亿枚氢弹的爆炸。耀斑能产生多波段辐射,剧烈的耀斑会严重影响日地空间环境和人类生活。因此,认识和了解耀斑活动具有重大意义。

  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、吸积盘物理以及伽马暴研究。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,然而其尚未在实验室得到直接证实和系统研究。

  论文通讯作者、北京师范大学天文系仲佳勇教授领导的实验室天体物理研究团队,长期专注于利用强激光近距离、主动可控地模拟各类天体等离子体物理过程。早在2010年,仲佳勇与合作者就成功模拟了太阳耀斑中环顶X射线源和重联喷流。仲佳勇介绍,利用高能量激光系统,科学家能在实验室中获得极端物理实验条件,模拟多种高能量密度天体物理现象。这种研究方法不仅可以用来验证天文观测理论模型,还可为发现新物理过程提供新途径。

  团队此次在前期工作的基础上,提出了利用“神光Ⅱ”四路激光多点烧蚀金属靶,设计具有微扰特征且磁性相反的等离子体磁环来增大磁场相互作用区,进而实现湍流磁重联的实验构想。仲佳勇告诉科技日报记者,他们此次在实验上首次利用激光等离子体的方式驱动湍流磁重联,激光等离子体更加容易标度变换到太阳耀斑等离子体,从而可对太阳耀斑进行更加细致和系统的定量研究。该研究还发现,实验湍流磁重联中高能电子的加速主要来源于重联电场,而费米加速过程可以忽略,这对传统高能电子加速机制提出了新的认识和理解。

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