宇宙中充满了磁场，从实验室、地磁层、太阳系，到遥远的星系和星系团，磁场的身影无处不在，磁场的产生及演化深刻影响着各种天体动力学过程。然而，磁场的起源是长期困扰人类的未解之谜。由于天体中绝大部分物质都是处于等离子体状态，一个合理的推测是这些磁场产生于等离子体的运动，由等离子体动能转化为磁能。但是，由于缺乏近距和细致的观测手段，具体的产生机制尚不清楚。在激光聚变等重大需求牵引下发展起来的大型激光装置可在实验室小空间、短时间内产生类似天体环境的高温、高压、强辐射和强电磁场等极端条件，通过标度变换，为天体物理提供了开展主动、近距、可控、可重复的实验研究新范式，催生出“实验室天体物理”这一国际前沿热点。基于高功率激光烧蚀靶物质产生的高能量密度等离子体中自生磁场的产生和演化研究，为模拟和揭示天体磁场起源提供了重要的实验平台。然而，目前实验中对自生磁场细致结构的诊断仍是一大难题，这是因为传统的质子照相技术都是二维的路径积分，丢失了磁场内部精细结构。
最近，北京大学物理学院重离子物理研究所乔宾教授课题组与中国工程物理研究院激光聚变研究中心等离子体物理重点实验室、上海激光等离子体研究所合作，在国际上首次发展了三维同步质子照相技术，实现时间同步精度相对误差小于10皮秒(10-11秒)，成功开展了强激光驱动的类天体等离子体中自生磁场产生及演化的三维同步质子照相实验，首次获得了自生磁场高空间精度、时间演化的精细三维拓扑结构。通过对其分析，研究团队发现并实验验证了天体等离子体中由温度梯度驱动的动理学Weibel电磁不稳定性是天体磁场起源的重要机制。2024年4月3日，相关研究成果以“基于三维同步质子照相的温度梯度驱动韦伯磁生成的实验室证据”（Laboratory evidence of Weibel magnetogenesis driven by temperature gradient using three-dimensional synchronous proton radiography）为题，在线发表于《科学进展》(Science Advances)期刊。
图1. 自生磁场及三维同步质子照相实验示意图
三维同步质子照相实验在星光-III装置上开展，实验方案如图1所示。研究团队基于星光-III装置能够同步输出纳秒(ns)、皮秒(ps)和飞秒(fs)脉冲的独特能力，发展了三维同步质子照相技术：利用纳秒脉冲烧蚀产生具有陡峭温度梯度的热膨胀等离子体，利用相对论皮秒和飞秒脉冲分别驱动质子源从正向和侧向对自生磁场的空间结构进行同步诊断。
研究团队分别测量了重元素材料铜(Cu)和轻元素材料塑料(CH)自生磁场的三维空间结构以及各自的等离子体状态参数，如图2所示，发现前者的自生磁场只存在较大尺度的宏观结构，而后者中存在丰富的丝状结构，这种丝状结构与理论模型预测的温度梯度驱动的动理学Weibel磁场有很高的相似度。结合辐射磁流体和动理学耦合的集成数值模拟重现了实验结果的主要特征，如图3所示，并给出了温度梯度驱动Weibel不稳定性产生磁场的确凿证据，解释了造成两种等离子体自生磁场差异的原因。将这些结果应用于弱碰撞的星系团内介质，计算表明温度梯度驱动的Weibel磁场能够解释天文观测结果的主要特征。因此，研究成果揭示了天体磁场起源的一种重要机制：温度梯度驱动的Weibel不稳定性；发展的三维质子照相技术也将在惯性约束聚变和高能量密度物理研究中发挥重要作用。
图2. 自生磁场的三维同步质子照相实验结果。(A)-(C)和(D)-(E)分别是Cu等离子体的侧向和正向照相结果；(F)-(H)和(I)-(J)分别是CH等离子体的侧向和正向照相结果。
图3. 数值模拟给出的自生磁场结构和规律。(A) CH等离子体自生磁场；(B) Cu等离子体自生磁场；(C)和(D)分别是磁场强度和特征空间尺度随时间的增长。
北京大学物理学院博雅博士后赵忠海、中国工程物理研究院激光聚变研究中心助理研究员贺书凯、上海激光等离子体研究所助理研究员安红海为共同第一作者。乔宾与中国工程物理研究院激光聚变研究中心朱少平研究员为共同通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委重点基金、杰出青年基金、中国科学院战略重点研究计划等的大力支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.adk5229
