近日，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科学院国家天文台、中国科学院物理研究所、上海交通大学等多家单位合作，在上海神光二号（SG-II）装置上首次实现了大尺度动理学湍流等离子体中的电子随机加速过程，加深了我们对复杂天体环境中高能电子产生过程的理解。研究成果以“实验室产生动理学湍流等离子体中的电子随机加速”（Electron stochastic acceleration in laboratory-produced kinetic turbulent plasmas）为题，于2024年7月13日在国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）发表。
天体中高能粒子的起源问题长期困扰着天体物理学家（《科学》（Science）发布的125个科学问题之一）。磁重联加速、冲击波加速和随机加速等多种机制被提出用来解释不同天体环境中高能粒子的产生。近期实验室天体物理在粒子加速方面取得了一系列重要进展，在实验室实现了湍流磁重联加速和冲击波加速。然而到目前为止随机加速机制还未被证实，其主要难点在于如何在实验室产生和天体类似的大尺度动理学湍流等离子体。
如图1所示，联合研究团队利用SG-II装置在实验室产生超音速对流等离子体，束流速度各向异性诱导电磁Weibel不稳定性的产生和发展，进而诱发形成大尺度的等离子体紊乱结构（~1×2×2 mm3）。采用傅里叶频谱分析发现：该紊乱结构的功率谱与动理学湍流谱高度一致，实验还同时测量到了来自于不同角度的高能电子能谱，能谱结构为幂律谱（E-3）且具有各向同性的特征，如图2所示。理论模拟发现，该高能电子主要来自于湍流等离子体中的热电子与磁岛发生多次“碰撞”获得能量增益，即湍流随机加速。该研究对于理解天体复杂环境中的粒子加速和高能辐射具有重要意义。
图1 实验室产生电子随机加速过程的艺术图。图中红色小球代表被加速的高能电子，白色曲线代表随机加速电子的运动轨迹，背景紊乱的结构代表天体中大尺度湍流等离子体
图2 电子随机加速实验。a.实验布局图，b.光学诊断测量的非线性Weibel不稳定性诱导产生的动理学湍流等离子体，c.典型热电子背景能谱和非热电子能谱，d.理论模拟给出电子随机加速的运动轨迹，e.电子每次碰撞后获得的能量增益
中国科学院国家天文台袁大伟副研究员、北京大学物理学院重离子物理研究所2022届博士毕业生雷柱（已入职北京应用物理与计算数学研究所）为论文共同第一作者，乔宾、中国科学院物理研究所李玉同研究员、国家天文台赵刚院士、上海交通大学李政道研究所张杰院士为论文共同通讯作者。此项研究得到了国家重点研发计划、中国科学院青年交叉团队、中国科学院A类先导专项、中国科学院青促会资金的资助支持。
论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50085-7
