宇宙中充滿了磁場，從實驗室、地磁層、太陽系，到遙遠的星系和星系團，磁場的身影無處不在，磁場的産生及演化深刻影響着各種天體動力學過程。然而，磁場的起源是長期困擾人類的未解之謎。由于天體中絕大部分物質都是處于等離子體狀态，一個合理的推測是這些磁場産生于等離子體的運動，由等離子體動能轉化為磁能。但是，由于缺乏近距和細緻的觀測手段，具體的産生機制尚不清楚。在激光聚變等重大需求牽引下發展起來的大型激光裝置可在實驗室小空間、短時間内産生類似天體環境的高溫、高壓、強輻射和強電磁場等極端條件，通過标度變換，為天體物理提供了開展主動、近距、可控、可重複的實驗研究新範式，催生出“實驗室天體物理”這一國際前沿熱點。基于高功率激光燒蝕靶物質産生的高能量密度等離子體中自生磁場的産生和演化研究，為模拟和揭示天體磁場起源提供了重要的實驗平台。然而，目前實驗中對自生磁場細緻結構的診斷仍是一大難題，這是因為傳統的質子照相技術都是二維的路徑積分，丢失了磁場内部精細結構。

最近，beat365官方网站重離子物理研究所喬賓教授課題組與中國工程物理研究院激光聚變研究中心等離子體物理重點實驗室、上海激光等離子體研究所合作，在國際上首次發展了三維同步質子照相技術，實現時間同步精度相對誤差小于10皮秒(10^-11秒)，成功開展了強激光驅動的類天體等離子體中自生磁場産生及演化的三維同步質子照相實驗，首次獲得了自生磁場高空間精度、時間演化的精細三維拓撲結構。通過對其分析，研究團隊發現并實驗驗證了天體等離子體中由溫度梯度驅動的動理學Weibel電磁不穩定性是天體磁場起源的重要機制。2024年4月3日，相關研究成果以“基于三維同步質子照相的溫度梯度驅動韋伯磁生成的實驗室證據”（Laboratory evidence of Weibel magnetogenesis driven by temperature gradient using three-dimensional synchronous proton radiography）為題，在線發表于《科學進展》(Science Advances)期刊。

圖1. 自生磁場及三維同步質子照相實驗示意圖

三維同步質子照相實驗在星光-III裝置上開展，實驗方案如圖1所示。研究團隊基于星光-III裝置能夠同步輸出納秒(ns)、皮秒(ps)和飛秒(fs)脈沖的獨特能力，發展了三維同步質子照相技術：利用納秒脈沖燒蝕産生具有陡峭溫度梯度的熱膨脹等離子體，利用相對論皮秒和飛秒脈沖分别驅動質子源從正向和側向對自生磁場的空間結構進行同步診斷。

研究團隊分别測量了重元素材料銅(Cu)和輕元素材料塑料(CH)自生磁場的三維空間結構以及各自的等離子體狀态參數，如圖2所示，發現前者的自生磁場隻存在較大尺度的宏觀結構，而後者中存在豐富的絲狀結構，這種絲狀結構與理論模型預測的溫度梯度驅動的動理學Weibel磁場有很高的相似度。結合輻射磁流體和動理學耦合的集成數值模拟重現了實驗結果的主要特征，如圖3所示，并給出了溫度梯度驅動Weibel不穩定性産生磁場的确鑿證據，解釋了造成兩種等離子體自生磁場差異的原因。将這些結果應用于弱碰撞的星系團内介質，計算表明溫度梯度驅動的Weibel磁場能夠解釋天文觀測結果的主要特征。因此，研究成果揭示了天體磁場起源的一種重要機制：溫度梯度驅動的Weibel不穩定性；發展的三維質子照相技術也将在慣性約束聚變和高能量密度物理研究中發揮重要作用。

圖2. 自生磁場的三維同步質子照相實驗結果。(A)-(C)和(D)-(E)分别是Cu等離子體的側向和正向照相結果；(F)-(H)和(I)-(J)分别是CH等離子體的側向和正向照相結果。

圖3. 數值模拟給出的自生磁場結構和規律。(A) CH等離子體自生磁場；(B) Cu等離子體自生磁場；(C)和(D)分别是磁場強度和特征空間尺度随時間的增長。

beat365官方网站博雅博士後趙忠海、中國工程物理研究院激光聚變研究中心助理研究員賀書凱、上海激光等離子體研究所助理研究員安紅海為共同第一作者。喬賓與中國工程物理研究院激光聚變研究中心朱少平研究員為共同通訊作者。該研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委重點基金、傑出青年基金、中國科學院戰略重點研究計劃等的大力支持。

論文鍊接：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.adk5229