天体高能电子如何产生？我科学家揭开谜团

  近日，国家天文台实验室天体物理研究团队联合北京大学、中国科学院物理研究所、上海交通大学等多家单位在上海神光二号（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，揭开了复杂天体环境中高能电子的产生谜团，研究成果以“Electron stochastic acceleration in laboratory-produced kinetic turbulent plasmas”为题，于2024年7月13日在国际科学期刊《Nature Communications》发表。

  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。

  天体中高能粒子的起源问题长期困扰着天体物理学家（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。

  论文第一作者袁大伟博士介绍，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，实验还同时测量来自于不同角度的高能电子幂律谱。

  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。（宋雅娟）

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