近日，中國科學院國家天文臺聯合北京大學、中國科學院物理研究所、上海交通大學等，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。7月13日，相關研究成果以Electron stochastic acceleration in laboratory-produced kinetic turbulent plasmas為題，發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。
 

　　天體中高能粒子的起源問題困擾著天體物理學家。磁重聯加速、沖擊波加速和隨機加速等多種機制被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在粒子加速方面取得了一系列進展，在實驗室實現了湍流磁重聯加速和沖擊波加速。然而，隨機加速機制尚未被證實，其主要難點在于如何在實驗室產生與天體類似的大尺度動理學湍流等離子體。
 

　　該團隊利用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Weibel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，這一紊亂結構的功率譜與動理學湍流譜高度一致。同時，實驗測量了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熱電子與磁島發生多次“碰撞”獲得的能量增益，即湍流隨機加速。上述成果對于探討天體復雜環境中粒子加速和高能輻射具有重要意義。
 

　　研究工作得到國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項(A類)、中國科學院青年交叉團隊項目、中國科學院青年創新促進會會員項目的支持。
 

　　實驗室產生電子隨機加速過程的藝術圖。紅色小球代表被加速的高能電子，白色曲線代表隨機加速電子的運動軌跡，背景紊亂的結構代表天體中大尺度湍流等離子體。