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近日，中國科學(xué)院國家天文臺聯(lián)合北京大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、上海交通大學(xué)等，在上海神光二號（SG-II）裝置上首次實現(xiàn)了大尺度動理學(xué)湍流等離子體中的電子隨機加速過程，揭開了復(fù)雜天體環(huán)境中高能電子的產(chǎn)生謎團。7月13日，相關(guān)研究成果以Electron stochastic acceleration in laboratory-produced kinetic turbulent plasmas為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

天體中高能粒子的起源問題困擾著天體物理學(xué)家。磁重聯(lián)加速、沖擊波加速和隨機加速等多種機制被用來解釋不同天體環(huán)境中高能粒子的產(chǎn)生。近期，實驗室天體物理研究在粒子加速方面取得了一系列進展，在實驗室實現(xiàn)了湍流磁重聯(lián)加速和沖擊波加速。然而，隨機加速機制尚未被證實，其主要難點在于如何在實驗室產(chǎn)生與天體類似的大尺度動理學(xué)湍流等離子體。

該團隊利用SG-II裝置在實驗室產(chǎn)生超音速對流等離子體，束流速度各向異性誘導(dǎo)電磁Weibel不穩(wěn)定性的產(chǎn)生和發(fā)展，進而誘發(fā)形成大尺度的等離子體紊亂結(jié)構(gòu)。科研人員采用傅里葉頻譜分析發(fā)現(xiàn)，這一紊亂結(jié)構(gòu)的功率譜與動理學(xué)湍流譜高度一致。同時，實驗測量了來自于不同角度的高能電子冪律譜。理論模擬發(fā)現(xiàn)，該高能電子主要來自于湍流等離子體中熱電子與磁島發(fā)生多次“碰撞”獲得的能量增益，即湍流隨機加速。上述成果對于探討天體復(fù)雜環(huán)境中粒子加速和高能輻射具有重要意義。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）、中國科學(xué)院青年交叉團隊項目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會會員項目的支持。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-50085-7

實驗室產(chǎn)生電子隨機加速過程的藝術(shù)圖。紅色小球代表被加速的高能電子，白色曲線代表隨機加速電子的運動軌跡，背景紊亂的結(jié)構(gòu)代表天體中大尺度湍流等離子體。