北京师范大学天文与天体物理前沿科学研究所科研团队在实验室天体物理研究方向取得重要进展。该研究团队利用上海高功率激光“神光二号”装置，首次在实验室实现湍流等离子体中的电子随机加速过程，揭秘天体高能粒子的产生机制（图1），研究成果以“Electron stochastic acceleration in laboratory-produced kinetic turbulent plasmas”为题，于2024年7月13日在线发表在Nature Communications上，北京师范大学天文与天体物理前沿科学研究所双聘副研究员袁大伟为论文第一作者。
图1 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，白色曲线代表着随机加速的运动轨迹，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最新发布的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。利用强激光可以近距离、主动、可控的模拟天体高能粒子产生的物理过程，前沿所实验室天体物理研究团队在取得湍流磁重联加速电子的重大突破后（Nat.Phys.19,263（2023）），近期又在湍流随机加速方面取得了重要进展。袁大伟等人利用“神光二号”八路激光与双平面靶相互作用产生超音速对流等离子体，由于速度异性引起的Weibel不稳定性会快速增长进入非线性区间进而诱发形成大尺度紊乱的等离子体结构（~1×2×2 mm3）。采用傅里叶频谱分析方法发现，该紊乱结构的功率谱与典型动理学湍流谱（k-2.9）高度一致；同时测量到不同角度上的非热电子幂律谱且呈各项同性，模拟发现，高能电子主要来自于湍流等离子中的热电子与磁岛发生多次“碰撞”获得能量增加，即湍流随机加速（图2）。这对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。另外，实验结合理论发现，湍流随机加速的加速效率与等离子体阿尔芬速度的一次方成正比，而不是与磁岛运动速度的平方成正比，这对当前的随机加速理论模型提出了挑战。
图2 电子随机加速（a.实验布局图，b.光学诊断测量的非线性Weibel不稳定性诱导产生的动理学湍流等离子体，c.单束流的热电子背景能谱和双束流中的非热电子能谱，d.理论模拟给出电子随机加速的运动轨迹，e.电子每次碰撞后获得的能量增益）
该项研究由中国科学院国家天文台、北京师范大学、北京大学、中国科学院物理研究所、上海交通大学、北京应用物理与计算数学研究所、复旦大学、上海光学精密机械研究所等研究团队联合完成，项目得到了中科院青年交叉团队、科技部重点研发计划、中科院先导专项、中科院青促会资金的资助支持。