近日，beat365官方网站重離子物理研究所喬賓教授課題組與中國科學院國家天文台、中國科學院物理研究所、上海交通大學等多家單位合作，在上海神光二号（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随機加速過程，加深了我們對複雜天體環境中高能電子産生過程的理解。研究成果以“實驗室産生動理學湍流等離子體中的電子随機加速”（Electron stochastic acceleration in laboratory-produced kinetic turbulent plasmas）為題，于2024年7月13日在國際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）發表。

天體中高能粒子的起源問題長期困擾着天體物理學家（《科學》（Science）發布的125個科學問題之一）。磁重聯加速、沖擊波加速和随機加速等多種機制被提出用來解釋不同天體環境中高能粒子的産生。近期實驗室天體物理在粒子加速方面取得了一系列重要進展，在實驗室實現了湍流磁重聯加速和沖擊波加速。然而到目前為止随機加速機制還未被證實，其主要難點在于如何在實驗室産生和天體類似的大尺度動理學湍流等離子體。

如圖1所示，聯合研究團隊利用SG-II裝置在實驗室産生超音速對流等離子體，束流速度各向異性誘導電磁Weibel不穩定性的産生和發展，進而誘發形成大尺度的等離子體紊亂結構（~1×2×2 mm³）。采用傅裡葉頻譜分析發現：該紊亂結構的功率譜與動理學湍流譜高度一緻，實驗還同時測量到了來自于不同角度的高能電子能譜，能譜結構為幂律譜（E^-3）且具有各向同性的特征，如圖2所示。理論模拟發現，該高能電子主要來自于湍流等離子體中的熱電子與磁島發生多次“碰撞“獲得能量增益，即湍流随機加速，該研究對于理解天體複雜環境中的粒子加速和高能輻射具有重要意義。

圖1實驗室産生電子随機加速過程的藝術圖。圖中紅色小球代表被加速的高能電子，白色曲線代表随機加速電子的運動軌迹，背景紊亂的結構代表天體中大尺度湍流等離子體。

圖2電子随機加速實驗。a.實驗布局圖，b.光學診斷測量的非線性Weibel不穩定性誘導産生的動理學湍流等離子體，c.典型熱電子背景能譜和非熱電子能譜，d.理論模拟給出電子随機加速的運動軌迹，e.電子每次碰撞後獲得的能量增益。

中國科學院國家天文台袁大偉副研究員、beat365官方网站重離子物理研究所2022屆博士畢業生雷柱（已入職北京應用物理與計算數學研究所）為論文共同第一作者，喬賓、中國科學院物理研究所李玉同研究員、國家天文台趙剛院士、上海交通大學李政道研究所張傑院士為論文共同通訊作者。此項研究得到了國家重點研發計劃、中國科學院青年交叉團隊、中國科學院A類先導專項、中國科學院青促會資金的資助支持。

論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50085-7