北京师范大学天文系、天文与天体物理前沿科学研究所科研团队近期在实验室天体物理研究方向取得重要进展。该团队利用上海高功率激光物理国家实验室“神光Ⅱ”装置，首次在实验室实现激光驱动等离子体湍流磁重联过程。研究成果于2023年1月17日在线发表在Nature Physics上，北京师范大学天文与天体物理前沿科学研究所平永利博士为论文第一作者，天文系仲佳勇教授为通讯作者。

仲佳勇教授带领的北师大实验室天体物理研究团队，长期专注于利用强激光近距离、主动可控的模拟各类天体等离子体物理过程。早在2010年仲佳勇与合作者利用上海高功率激光物理国家实验室“神光Ⅱ”号装置巧妙的构造了激光等离子体磁重联拓扑结构，成功模拟了太阳耀斑中环顶X射线源和重联喷流。该项工作开辟了实验室天体物理研究的新领域，并获得了2011年度中国科学十大进展（Nature Physics 6, 984）。在此基础上，近年来团队在该领域发表了一系列研究成果，尤其他们提出利用增加激光打靶点增长磁重联电流片，进而实现等离子体湍流磁重联的实验获得重要突破。湍流磁重联是等离子体磁场能量耗散的有效方式之一，其耗散区包含多个重联点、呈现分裂、破碎以及加速高能电子和离子等现象，广泛的存在于太阳、日地空间等天体等离子体环境中。

在实验室，研究人员利用“神光Ⅱ”号四路激光与固体靶相互作用，形成了具有微扰特征的大尺度等离子体磁环，巧妙地设计了磁性相反的等离子体磁环相互作用实验。他们首次观测到相互作用区形成的电流片呈现碎片化结构，采用傅里叶谱分析方法获得功率谱信息，并发现该功率谱符合典型磁化等离子体湍流幂律谱特征。进一步将实验室湍流时空标度变换到太阳耀斑小尺度湍流，发现二者结构一致，同时测量到在电流片出流方向的电子能谱呈现非热的幂律谱特征。通过二维和三维粒子模拟发现，在湍流磁重联过程中，非热的高能电子主要被重联平行电场所加速，而回旋过程对出流区域内电子起减速作用，费米加速效应可以忽略不计，这对理解太阳耀斑高能粒子起源和加速过程具有重要意义。

该项研究由北京师范大学、哈尔滨工业大学、中国科学院国家天文台、中国科学院物理研究所、北京大学、深圳技术大学、上海高功率激光物理国家实验室、上海交通大学等研究团队联合完成，项目得到了科技部、国家自然科学基金委员会和中科院先导专项资金的资助支持。

图1. 神光II装置湍流磁重联实验，a.实验布置，b、c不同长度重流电流片光学阴影特征，d、e对应功率谱符合典型磁化等离子体湍流幂律谱特征。

图2. 北师大天体等离子体模拟实验团队在神光II装置开展湍流磁重联物理实验，摄于2023年1月11日。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01855-x