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[交流] 实验室激光等离子体——研究天体磁场的全新视角已有2人参与

上海交大李政道研究所张杰院士与合作者发文：实验室激光等离子体——研究天体磁场的全新视角
2026年04月11日责任编辑：孟闻卓孙佳
近日，上海交通大学李政道研究所、暗物质物理全国重点实验室张杰院士与北京师范大学文理学院仲佳勇教授合作，在国际权威综述期刊《Nature Reviews Physics》（2024年影响因子39.5，五年影响因子53.2）在线发表题为“Laser-produced plasmas as probes of astrophysical magnetic fields”的综述论文。文章系统梳理了天体磁场的产生、放大、输运、耗散以及对天体等离子体约束等关键物理过程，深入阐述了强激光产生等离子体在模拟天体极端环境、研究上述天体磁场物理特性方面的核心价值。

天体磁场广泛存在于行星、恒星、星系乃至星系团等不同尺度的天体系统中，是恒星形成、星系演化、宇宙高能粒子加速、天体喷流产生等关键天体物理现象的核心因素。例如，脉冲星的磁场强度可达108特斯拉（相当于地球磁场的万亿倍），是许多剧烈天体物理现象的驱动源；而星系尺度的磁场虽仅有（10⁻12-10⁻9特斯拉），却也能影响宇宙大尺度结构的形成。受限于天体环境的极端性和观测技术的局限性，天体磁场的产生、放大机制、演化规律，以及其与天体等离子体的相互作用、对粒子加速过程的影响等，依旧是天体物理前沿中最热门的科学难题。

激光驱动的等离子体磁场重联

传统磁场研究主要依赖天文观测和理论模拟，而强激光产生的等离子体为解决这些难题提供了全新途径。某些天体环境的极端条件（如高温、高压、高密度）可在实验室中被精准再现，成为研究天体磁场的“新途径”。本论文系统阐述了激光等离子体在天体磁场研究中的核心应用，包括：

在磁场产生方面，比尔曼电池效应、Weible不稳定性这些典型的天体等离子体磁场产生机制可以在实验室通过强激光等离子体有效复现。长脉冲激光与靶相互作用时，通过比尔曼电池效应可产生百万高斯级（100特斯拉）磁场；而超短脉冲激光则可获得高达0.7吉高斯（70千特斯拉）的强磁场，为理解宇宙种子磁场起源提供了实验依据。此外，通过“线圈-电容器”靶设计，研究团队实现了对强磁场位型的主动调控，磁场强度可达20-100特斯拉级别。

在磁场放大与输运方面，论文重点分析了湍流发电机和冻结磁通两种核心放大机制。实验证实，湍流运动可通过拉伸、扭曲磁场线将弱种子磁场放大至近能均分状态，这与恒星形成、吸积盘等天体环境中的磁场演化规律一致；而在白矮星、脉冲星等致密天体形成过程中，引力坍缩导致的等离子体压缩会通过冻结磁通效应，将原恒星的弱磁场放大至107-108特斯拉的超强磁场。开尔文-亥姆霍兹不稳定性可在双中子星并合等场景中通过相同机制快速放大磁场，强度甚至可达1011特斯拉。这些通过冻结磁通效应所放大的磁场在实验室也得到了有效验证。

在磁场耗散与粒子加速研究中，磁重联被证实是磁场能量转化为粒子动能和热能的核心过程。论文详细介绍了激光等离子体实验对太阳耀斑、太阳针状体等天体现象的模拟。介绍了通过我国神光-II激光装置构建的实验系统，并基于磁流体力学相似性原理，成功模拟了太阳耀斑中的环顶X射线源、磁重联喷流以及湍流电流片等；而对太阳针状体的模拟则支持了“强脉冲模型”，并对日冕加热机制提供了新解释。此外，论文还阐明了平行电场加速、betatron加速、费米加速三种粒子加速机制，揭示了湍流磁重联中高能电子的产生机制。

在等离子体约束方面，针对T型金牛座恒星的磁吸积流和双极喷流过程，实验人员巧妙设计了八线圈电容靶来产生类偶极强磁场，该磁场将激光等离子体成功约束，形成了与天体磁吸积相似的等离子体流动，这些被约束的流动等离子体在极区发生碰撞，最终形成对称双极准直喷流。该实验成功复现了从吸积到喷流产生的整体演化过程，并提出了T型金牛座恒星喷流产生的一种新机制。

论文还系统总结了实验室天体物理中的标度变换原理以及磁场的诊断技术，包括B-dot探针、法拉第旋转、质子射线照相、塞曼分裂等六种核心方法，为精准测量磁场强度、方向及时空演化提供了技术支撑。

《Nature Reviews Physics》作为Nature系列顶尖期刊以特邀综述为主，聚焦物理学领域重大进展与前沿突破。受邀通讯作者张杰教授，中国科学院院士，现任上海交通大学李政道研究所所长、暗物质物理全国重点实验室主任，在强激光与物质相互作用、激光聚变物理、实验室天体物理等领域取得多项突破性成果。第一作者仲佳勇教授，国家杰出青年基金获得者，现任职于北京师范大学文理学院、物理与天文学院和天文与天体物理前沿科学研究所，主要从事实验室天体物理研究。此次论文的发表，标志着我国在实验室天体物理研究领域的学术影响力得到国际权威认可，为后续开展极端天体物理环境的实验室模拟研究奠定了重要基础。该研究得到科技部、国家自然科学基金委员会和中科院先导专项基金支持。

作者：李政道研究所
供稿单位：李政道研究所

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