2010中国天文十大进展02

高能量密度等离子体在天体物理和激光等离子体物理领域存在许多相似点，利用新型激光实验装置在实验室尺度研究天体尺度的 高能量密度等离子体是目前实验室天体物理学科研究的 主要路线之一。中国科学院国家天文台实验室天体物理研究团组与合作者一起在实验室成功模拟太阳耀斑中环顶X射线源和重联喷流。

磁重联是方向相反的 磁力线因互相靠近而发生的 重新联结的 现象，它是等离子体物理中能量转化的 一个基本过程。在天体物理中磁重联模型被广泛的 应用于太阳耀斑、恒星 形成、吸积盘物理以及伽玛暴研究中。在实验室等离子体物理中，磁重联过程（如磁约束等离子中的 各种破裂不稳定性）也引起了人们广泛的 研究兴趣，其拓扑结构可以采用不同的 能源驱动设备来构造，如Z箍缩、托克马克等。

在天体等离子体，尤其在太阳等离子体中，磁重联过程有着许多间接的 观测证据，其中最为著名的 就是在太阳耀斑中观测到的 环顶X射线源和重联喷流。传统的 磁重联装置由于磁场强度较低等因素在标度变换下无法模拟大尺度的 天体磁重联现象。利用强激光等离子体的 自生磁场构造这种磁重联拓扑结构是在实验室研究磁重联物理现象的 一个突破。长脉冲（纳秒量级）激光聚焦在平面靶上产生的 等离子体温度与密度梯度的 方向极端不一致。这种温度和密度梯度的 不一致将产生热电动势从而引发热电流，最终诱发环形的 兆高斯量级的 自生强磁场。并且在激光脉冲的 持续时间内，这个自生磁场是准稳态的 ，“冻结”在激光等离子体表面（磁雷诺数>>1）来向四周扩散。

依据这个准稳态的 自生强磁场，国家天文台赵刚研究团组与合作者利用上海光机所高功率激光物理联合实验室的 神光II号装置巧妙地构造了激光等离子体磁重联拓扑结构。观测到了与太阳耀斑中环顶X射线源极为相似的 实验结果（如图所示）。仔细分析实验室重联区尺度特征，发现激光等离子体磁重联区存在两个耗散区，其中离子耗散区的 尺度与理论模拟一致，而电子耗散区尺度的 实验结果要大于传统的 理论值，这为理论探索磁重联电子耗散区尺度提出了挑战。

这项工作成果以国家天文台为第一作者单位发表在国际顶级学术期刊Nature Physics¹。审稿人对该项工作给予了高度评价：“如果在实验室的 观测与对太阳耀斑中环顶X射线源和重联喷流的 天文观测一致并且数据测量准确，那么这项工作是一项重大的 发现，并将开辟实验室天体物理研究的 最新领域。”该项工作发表短短一个月即被Nature China²选为亮点工作进行专题介绍，国内《物理》杂志在2010年第11期也以封面照片报道了相关的 实验结果。该成果入选“大科学装置2010年度成果”，《基础科学研究快报》（科技部基础研究司和基础研究管理中心主办）也对研究成果进行了报道。