实验室中成功模拟太阳耀斑中环顶X射线源和重联喷流

2010-10-12 10:01 来源: 中国科学院
1575 收藏到BLOG

  中国科学院物理研究所和国家天文台实验室研究团队继去年在强激光实验室模拟黑洞辐射产生的光电离光谱取得重要成果之后[Nature Physics 5, 821 (2009)],今年又在实验室中成功模拟了太阳耀斑著名观测现象——环顶X射线源和重联喷流。值得一提的是,这项重要突破完全基于国内自主研制的大型实验设备:神光II强激光装置。

  早在2000年,物理所张杰院士与国家天文台赵刚研究员共同提出利用高功率密度激光产生类似天体物理条件,在实验室中深入细致地研究天体物理现象及规律。近年来,在中国科学院与国家重点基础研究发展973计划支持下,张杰院士及赵刚研究员带领的研究组与国际合作者一起,针对诸多课题开展了实验、理论和数值模拟研究,取得了一系列显著成果。

  磁重联是方向相反的磁力线因互相靠近而发生的重新联结的现象,它是等离子体物理中能量转化的一个基本过程。在天体物理中磁重联模型被广泛的应用于太阳耀斑、恒星形成、太阳风与地球磁层的耦合、吸积盘物理以及伽玛爆研究中。在实验室等离子体物理中,磁重联过程(比如磁约束等离子中的各种破裂不稳定性现象)也引起了人们广泛的研究兴趣,其拓扑结构可以采用不同的能源驱动设备来构造,如Z箍缩、托克马克等。天体等离子体中(尤其在太阳等离子体中)磁重联模型有着许多间接的观测证据,其中最为著名的就是在太阳耀斑中观测到的环顶X射线源。1992年1月, Masuda等人利用YOHKOH卫星在太阳边缘观测到耀斑硬X射线发射源的空间结构,他们发现除了两个足点X射线源之外,还有一个环顶X射线源。如图1(a)所示,Masuda给出了环顶X射线源形成的唯象解释,从重联区向下喷射的等离子体喷流与磁环碰撞形成激波,从而加速电子,然后电子与环顶等离子体碰撞形成硬X射线源。

  对环顶硬X射线源的解释大多是定性和唯象的,缺乏定量、详细的理论解释,这一困难与天文观测的局限性有着直接的关系。如果能够在实验室构造一个人为可控的环顶X射线源,这样不仅可以验证定性和唯象的理论解释,甚至可以给出直接的实验数据来更准确的解释环顶X射线源。

  Ryutov等人在2000年提出了磁流体标度变换理论,该理论将不同体系但满足相同磁流体方程的研究对象通过标度变换公式等价起来,这样可以在实验室利用小尺度的磁流体来研究大尺度的天体磁流体相关现象。传统的磁重联装置由于磁场强度较低等因素在标度变化下无法与大尺度的天体磁重联现象相比。利用强激光等离子体的自生磁场构造这种磁重联拓扑结构是在实验室研究磁重联物理现象的一个突破。长脉冲(纳秒量级)激光聚焦在平面靶上产生的等离子体的温度与密度梯度的方向极端不一致。这种温度和密度梯度的不一致将产生热电动势从而引发热电流,最终诱发环形的高达兆高斯量级的自生强磁场。并且在激光脉冲的持续时间内,这个自生磁场是准稳态的,“冻结”在激光等离子体表面(磁雷诺数>>1)来向四周扩散。

  依据这个准稳态的自生强磁场,张杰院士和赵刚研究员领导的研究团队利用中科院上海光机所高功率激光物理联合实验室的“神光II号”装置,巧妙地构造了激光等离子体磁重联拓扑结构。研究中观测到了与太阳耀斑中环顶X射线源极为相似的实验结果。通过磁流体标度变换理论分析,发现两个系统的各项物理参数惊人的相似。通过仔细分析实验室重联区尺度特征,发现激光等离子体磁重联区存在两个耗散区,其中离子耗散区的尺度与理论模拟一致(如图2所示),而电子耗散区尺度的实验结果要大于传统的理论值,这为理论探索磁重联电子耗散区尺度提出了挑战。

  这项工作结果已于今年10月10日在线发表在国际权威杂志《自然—物理学》[Nature Physics,DOI:10.1038/NPHYS1790]上。

图1:(a)太阳耀斑中环顶X射线源的卡通图像(b-c)在实验室由X射线针孔相机拍到的环顶X射线源与重联喷流。

图2:理论模拟得到的X射线图(a-b),其中模拟得到的离子耗散区尺度(di)与实验观测一致(c),并发现不对称磁场会导致出流偏转(d)。该理论工作与北京大学王晓钢教授领导的团队合作完成。