在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:12135009、12105362、12175018)資助下,國防科技大學(xué)物理系余同普教授團(tuán)隊(duì)最近在激光驅(qū)動磁重聯(lián)的理論研究工作中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)基于全粒子數(shù)值模擬方法,借助激光等離子體相互作用實(shí)現(xiàn)了“唯電子磁重聯(lián)”這一天體物理中的重要磁重聯(lián)模式:其空間尺度和時間尺度都在電子尺度內(nèi),且僅觀測到電子出流。團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了磁重聯(lián)過程中的能流密度與能量轉(zhuǎn)化項(xiàng),成功揭示了唯電子磁重聯(lián)中的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制,相關(guān)成果以“Three‐Dimensional Particle‐In‐Cell Simulations of Electron‐only Magnetic Reconnection Between Laser‐Produced Plasma Bubbles”(激光誘導(dǎo)等離子體泡產(chǎn)生唯電子磁重聯(lián)的三維全粒子模擬)為題,于2023年11月3日在Geophysical Research Letters(《地球物理研究快報(bào)》)上在線發(fā)表。
磁重聯(lián)作為等離子體一種普遍的物理過程,能夠釋放大量能量,是空間物理、天體物理以及磁約束聚變等研究領(lǐng)域的科學(xué)前沿問題。研究空間等離子體發(fā)生的磁重聯(lián)過程高度依賴于天文衛(wèi)星觀測,具有不可控性。而在實(shí)驗(yàn)室中利用超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用能夠驅(qū)動產(chǎn)生超強(qiáng)磁場,可以構(gòu)建出與天體發(fā)生磁重聯(lián)相似的物理環(huán)境,具有主動性強(qiáng)、可重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)?!拔娮哟胖芈?lián)”是在地球磁層最新發(fā)現(xiàn)的一種特殊的磁重聯(lián)模式,其電子尺度的重聯(lián)電流片并未鑲嵌在更厚的離子尺度電流片中,并且沒有產(chǎn)生離子出流。“唯電子磁重聯(lián)”為磁重聯(lián)的能量轉(zhuǎn)化模式提供了新的機(jī)制,即磁場能量可以在沒有離子耦合的電子尺度電流片中被轉(zhuǎn)化和耗散。利用全粒子數(shù)值模擬,余同普教授團(tuán)隊(duì)和北京師范大學(xué)平永利博士團(tuán)隊(duì)合作,成功通過激光與等離子體相互作用實(shí)現(xiàn)了唯電子磁重聯(lián),其空間尺度和時間尺度都在電子尺度內(nèi)。在磁重聯(lián)過程中,能量轉(zhuǎn)換主要由重聯(lián)電場主導(dǎo)。該研究成果增強(qiáng)了我們對“唯電子重聯(lián)”中能量耗散過程的理解,并為將來的實(shí)驗(yàn)研究提供了理論基礎(chǔ)和有效指導(dǎo)。
圖1 數(shù)值模擬中唯電子磁重聯(lián)的出流特征隨時間的演化,第一列為電子出流,第二列為離子出流,第三列為沿出流方向取出的電子出流與離子出流。黑色箭頭代表當(dāng)?shù)卮艌龇较颉?/section>