从壮丽的太阳风暴,绚丽的北极光到星系中强烈伽马射线暴,宇宙中存在众多与磁重联相关的物理现象。

磁重联是一种当反向磁场被挤压到一起时发生的磁场结构改变,并伴随着磁能转化为周围等离子体动能的过程。相对论磁重联发生在一些极端的天体环境中(比如中子星,磁星的冕区(corona)),其磁场的能量超过区域中所有粒子的静止能量之和,其中被加速的粒子通常会形成幂律(power-law)能谱,与非相对论情况下常见的热分布显著不同。

由于难以对遥远天体进行直接测量,为研究这类现象,除了要能够在实验室中产生超过太阳表面一百万倍的磁场之外(这通常依赖于超强超短激光),还要尽量避免激光对等离子体的直接加热,以避免由激光产生的超热电子对测量仪器的干扰。 近日,瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员提出了一种通过超强激光在实验室中研究磁重联物理的新方法,相关结果发表在Nature Communications上。

在该工作中,研究人员通过用激光掠入射等离子体薄板的方案来解决这个问题。当激光在薄板表面扫过时会在两侧激发高密度的表面电子束(电流),进而在中央产生方向相反的磁场。当电子束运行至薄板尾部,中央等离子体密度下降至不足以产生足够强的回流来抵消两侧电流的相互吸引时,磁重联便会发生,并产生向后(激光反向)喷射出的强烈电子流(下图中弓状彩色结构,颜色表示电子的横向动量)。


 

查尔姆斯大学物理系的研究人员易龙卿说:“近十年来,科学家们一直在实验室中利用超强激光模拟类似天体物理的极端条件。我们的工作提出了一种利用现有的激光强度研究相对论磁重联的新方法,并且能够在很大程度上避免激光对等离子体的加热,从而能够重现许多宇宙等离子体中的低-beta条件。”

“我们希望这项工作能激发更多的研究小组对磁重联中尚不清楚的相关机制进行探索,这将有助于我们理解从太阳风到宇宙射线等一系列对我们生活有着重要影响的现象,甚至有助于我们对磁约束聚变装置中由磁重联引发的种种不稳定性进行有效的控制。”查尔姆斯大学物理系教授Tünde Fülöp说道。

来源:查尔姆斯大学

论文连接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-04065-3