科學家揭開天體高能電子產生之謎

近日，中國科學院國家天文臺天體豐度與星系演化研究組聯合北京大學、中國科學院物理研究所、上海交通大學等多家單位在上海神光二號（SG-II）裝置上首次實現了大尺度動理學湍流等離子體中的電子隨機加速過程，揭開了復雜天體環境中高能電子的產生謎團，研究成果于7月13日在《自然—通訊》發表。

天體中高能粒子的起源問題長期困擾著天體物理學家，也是《科學》曾發布的125個科學問題之一。磁重聯加速、沖擊波加速和隨機加速等多種機制被提出，用來解釋不同天體環境中高能粒子的產生。近期，實驗室天體物理研究者在粒子加速方面取得了一系列重要進展，在實驗室實現了湍流磁重聯加速和沖擊波加速。然而，到目前為止隨機加速機制還未被證實，其主要難點在于如何在實驗室產生和天體類似的大尺度動理學湍流等離子體。

論文第一作者袁大偉博士介紹，研究團隊利用SG-II裝置在實驗室產生超音速對流等離子體，束流速度各向異性誘導電磁威貝爾不穩定性的產生和發展，進而誘發形成大尺度的等離子體紊亂結構。

科研人員采用傅里葉頻譜分析發現，該紊亂結構的功率譜與動理學湍流譜高度一致，實驗還同時測量來自于不同角度的高能電子冪律譜。理論模擬發現，該高能電子主要來自于湍流等離子體中的熱電子與磁島發生多次“碰撞“獲得能量增益，即湍流隨機加速，該研究對于理解天體復雜環境中的粒子加速和高能輻射具有重要意義。

中國科學院院士、國家天文臺研究員趙剛，中國科學院院士、上海交通大學李政道研究所所長張杰，中國科學院物理研究所研究員李玉同和北京大學教授喬賓為論文通訊作者。

此項研究得到了國家重點研發計劃、中國科學院青年交叉團隊、中國科學院A類先導專項、中國科學院青年創新促進會資金的資助支持。合作單位包括中國科學院物理研究所、北京應用物理與計算數學研究所、北京大學、上海交通大學、北京師范大學、復旦大學及中國科學院上海光學精密機械研究所等。