《Nature Physics》：由强激光驱动的湍流磁重联

据悉，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，首次实现激光驱动湍流磁重联物理过程，证实了湍流过程在耀斑快速触发中的重要性，为理解太阳耀斑高能粒子起源和加速过程提供重要依据。2023年1月17日，相关论文以“Turbulent magnetic reconnection generated by intense lasers”为题发表在期刊《Nature Physics》上。

带有日冕物质抛射的太阳耀斑示意图（图片来自：人民网）

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。

湍流磁重联被认为是太阳耀斑的一个触发点。它经常发生在长时间拉伸和碎片化的电流片中。在本文，科研人员演示了激光产生的等离子体在照射固体目标时产生的湍流磁重联。湍流是由强烈驱动的磁重联产生的，它将电流片碎片化，科研人员还观察到多个磁岛和磁通管的形成。科研人员的发现再现了太阳耀斑观测的关键特征。在动力学模拟的支持下，科研人员揭示了湍流磁重联中电子加速的机制，该机制由平行电场主导，而电子加速机制起冷却作用，费米加速度可以忽略不计。由于科研人员实验室实验的条件可扩展到天体物理等离子体的条件，因此科研人员的结果适用于太阳耀斑的研究。

磁重联是由电流分布所产生的自由能或外力所施加的能量所驱动的方向相反的磁力线湮灭的过程。它是实验室、空间和天体物理等离子体中大量磁能释放和转移的快速途径，因此被认为是某些爆炸性天体物理事件爆发爆发的主要触发因素。在天体物理等离子体中，经常观测到随机磁场分布。

在激光驱动的实验室模拟太阳耀斑的实验中，还发现电子可以被加速到相对论状态。等离子体准直，以及尖端和等离子体样构型被观察到，这表明这种重连接过程是在电子尺度上的，并且是由激光产生的等离子体中的电子动力学驱动的。本文介绍了在高能激光驱动的实验室天体物理实验中，由湍流磁重联引起的碎片电流表。科研人员还研究了湍流特征和电子加速度。

本研究的实验是在神光II激光设备中进行的。图1a显示了激光器的设置和分析。四束激光照射得到的目标(铝)上的亮点如图1b,c所示，其中两个在上面，其他在下面。每束激光能量为0.26 kJ，波长为λL= 0.351 μm，为纳秒方形脉冲。每束光束聚焦到焦点光斑直径为50-100 μm(半最大全宽)，使入射激光强度为1015W cm−2。情形I(图1b)和情形II(图1c)的上下两点之间的距离分别为200 μm和400 μm。两个目标之间的狭缝宽度为600 μm。四束驱动激光束照射在目标上，通过比尔曼电池效应产生四个扩展的环形磁场结构。然后在目标之间的狭缝的背板上形成电流片。与之前的两次激光驱动重连接实验相比，这次四束激光实验的电流片长了很多。

图1:激光驱动的湍流磁重联实验。

为了进一步分析这些实验中湍流区域的性质，进行了二维粒子单元(PIC)模拟，并通过三维PIC模拟检查了关键过程。在这些模拟中，初始参数与科研人员的实验基本相同。例如，四个磁场气泡由四个激光照射产生，这些磁场气泡的结构对应于情形I和II中的实验配置。在计算中，科研人员假设使模拟中的空间尺度di与实验中的空间尺度di相等。模拟得到的电流片结构和湍流特性如图2所示，可以清楚地看出密度碎片与实验测量值相似(图1b,c)。同时，在驱动磁重联过程中产生了多个磁岛(图1)。在3D PIC模拟中，磁通量管取代了2D磁岛(扩展数据图4所示)。

图2:二维PIC模拟的电流片结构和湍流谱。

图3a,b绘制了情形I模拟域中的平均电子能量分布。更多能量的电子在电流片区域被激发，然后被困在磁岛中。随着重新连接的继续，电流片层断裂形成孤岛(图1b)。然后，岛的宽度进一步扩大，被捕获的高能电子会随着时间的推移而失去能量。相比之下，在情形II中，更有能量的电子产生并被困在电流片中，如图3d所示。此外，如图3e所示，电流片片段不像情形I那样显著，岛屿之间仍然连接。图3c,f表明x = 0时离子和电子的运动压力远大于磁压力;在情形I中，离子运动压力与磁压力之比为150，在情形II中为~ 60-70。图3c,f显示了该过程的三个阶段。

图3:二维PIC仿真结果。

一般情形下，重联过程伴随着等离子体加热和电子加速。测量结果表明，在情形II中发现了比情形I更强的电子加速度。根据之前对湍流无碰撞冲击的研究，当两束激光仅照射在上部目标时(情形III)，分析出了电子能谱。图4a显示了情形I和II中具有非热部分的对应功率谱，而在情形III中，能谱近似于麦克斯韦分布。在情形I中，谱的幂律指数为−1.1(图4a，黄线)和−2.8(图4a，灰线)。然而，在情形II中，除了幂律指数为−1.1，ε= 0.17-0.21 MeV时，能量较高的部分(ε = 0.21-0.6 MeV)可以用幂律指数为−1.6进行拟合(图4a，浅蓝色虚线)。因此，科研人员的测量表明，不同的加速机制在这些重连接过程中发挥不同的作用。由图4c-f可知，电子感应加速器冷却机制在流出区起主导作用，特别是在情形I中。因此，对于沿流出方向的电子传输，在情形I中，更多的电子被减速，并将更多的能量沉积到排气中。

图4:电子加速机制。

总之，科研人员的实验为湍流磁重联研究提供了一个典型的实例。此外，还观察到在离子惯性区具有显著加速度的非热电子能谱。由于质量轻，电子在电流片中完全被磁化，所以大多数电子都沿着磁场线运动。然而，离子的陀螺半径大于湍流尺度，因此离子是不磁化的。因此，质子的传播可以描述为被限制在合并重连接场线之间的随机行走，直到脱离电流片。这项研究将鼓励科研人员继续研究不同等离子体环境中的湍流重联。基于这项研究，科研人员还可以研究其他天体物理现象，特别是太阳活动区域的事件，如太阳针状体的产生、磁场的出现、日冕环的形成等等。这对磁尾湍流和伽马射线暴湍流重联模型的研究也有一定的帮助。

扩展数据图1:干涉图像分析。

扩展数据图2：磁场测量。

扩展数据图3：分离20di情形一二维PIC模拟。

扩展数据图4：三维PIC模拟。

文章来源：

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01855-x