實驗室中成功模擬太陽耀斑中環頂X射線源和重聯噴流

　　中國科學院物理研究所和國家天文臺實驗室研究團隊繼去年在強激光實驗室模擬黑洞輻射產生的光電離光譜取得重要成果之后[Nature Physics 5, 821 (2009)]，今年又在實驗室中成功模擬了太陽耀斑著名觀測現象——環頂X射線源和重聯噴流。值得一提的是，這項重要突破完全基于國內自主研制的大型實驗設備:神光II強激光裝置。

　　早在2000年，物理所張杰院士與國家天文臺趙剛研究員共同提出利用高功率密度激光產生類似天體物理條件，在實驗室中深入細致地研究天體物理現象及規律。近年來，在中國科學院與國家重點基礎研究發展973計劃支持下，張杰院士及趙剛研究員帶領的研究組與國際合作者一起，針對諸多課題開展了實驗、理論和數值模擬研究，取得了一系列顯著成果。

　　磁重聯是方向相反的磁力線因互相靠近而發生的重新聯結的現象，它是等離子體物理中能量轉化的一個基本過程。在天體物理中磁重聯模型被廣泛的應用于太陽耀斑、恒星形成、太陽風與地球磁層的耦合、吸積盤物理以及伽瑪爆研究中。在實驗室等離子體物理中，磁重聯過程（比如磁約束等離子中的各種破裂不穩定性現象）也引起了人們廣泛的研究興趣，其拓撲結構可以采用不同的能源驅動設備來構造，如Z箍縮、托克馬克等。天體等離子體中（尤其在太陽等離子體中）磁重聯模型有著許多間接的觀測證據，其中最為著名的就是在太陽耀斑中觀測到的環頂X射線源。1992年1月， Masuda等人利用YOHKOH衛星在太陽邊緣觀測到耀斑硬X射線發射源的空間結構，他們發現除了兩個足點X射線源之外，還有一個環頂X射線源。如圖1(a)所示，Masuda給出了環頂X射線源形成的唯象解釋，從重聯區向下噴射的等離子體噴流與磁環碰撞形成激波，從而加速電子，然后電子與環頂等離子體碰撞形成硬X射線源。

　　對環頂硬X射線源的解釋大多是定性和唯象的，缺乏定量、詳細的理論解釋，這一困難與天文觀測的局限性有著直接的關系。如果能夠在實驗室構造一個人為可控的環頂X射線源，這樣不僅可以驗證定性和唯象的理論解釋，甚至可以給出直接的實驗數據來更準確的解釋環頂X射線源。

　　Ryutov等人在2000年提出了磁流體標度變換理論，該理論將不同體系但滿足相同磁流體方程的研究對象通過標度變換公式等價起來，這樣可以在實驗室利用小尺度的磁流體來研究大尺度的天體磁流體相關現象。傳統的磁重聯裝置由于磁場強度較低等因素在標度變化下無法與大尺度的天體磁重聯現象相比。利用強激光等離子體的自生磁場構造這種磁重聯拓撲結構是在實驗室研究磁重聯物理現象的一個突破。長脈沖（納秒量級）激光聚焦在平面靶上產生的等離子體的溫度與密度梯度的方向極端不一致。這種溫度和密度梯度的不一致將產生熱電動勢從而引發熱電流，最終誘發環形的高達兆高斯量級的自生強磁場。并且在激光脈沖的持續時間內，這個自生磁場是準穩態的，“凍結”在激光等離子體表面（磁雷諾數>>1）來向四周擴散。

　　依據這個準穩態的自生強磁場，張杰院士和趙剛研究員領導的研究團隊利用中科院上海光機所高功率激光物理聯合實驗室的“神光II號”裝置，巧妙地構造了激光等離子體磁重聯拓撲結構。研究中觀測到了與太陽耀斑中環頂X射線源極為相似的實驗結果。通過磁流體標度變換理論分析，發現兩個系統的各項物理參數驚人的相似。通過仔細分析實驗室重聯區尺度特征，發現激光等離子體磁重聯區存在兩個耗散區，其中離子耗散區的尺度與理論模擬一致（如圖2所示），而電子耗散區尺度的實驗結果要大于傳統的理論值，這為理論探索磁重聯電子耗散區尺度提出了挑戰。

　　這項工作結果已于今年10月10日在線發表在國際權威雜志《自然—物理學》[Nature Physics，DOI:10.1038/NPHYS1790]上。

圖1：(a)太陽耀斑中環頂X射線源的卡通圖像(b-c)在實驗室由X射線針孔相機拍到的環頂X射線源與重聯噴流。

圖2：理論模擬得到的X射線圖（a-b），其中模擬得到的離子耗散區尺度(di)與實驗觀測一致(c)，并發現不對稱磁場會導致出流偏轉（d）。該理論工作與北京大學王曉鋼教授領導的團隊合作完成。