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明升官网明升体育app院国家天文台 |
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明升体育app家揭开天体高能电子产生之谜 |
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近日，明升官网明升体育app院国家天文台天体丰度与星系演化研究组联合北京大学、明升官网明升体育app院物理研究所、上海交通大学等多家单位在上海神光二号（SG-II）装置上首次实现了大尺度动理学湍流等离子体中的电子随机加速过程，揭开了复杂天体环境中高能电子的产生谜团，研究成果于7月13日在《自然—通讯》发表。
天体中高能粒子的起源问题长期困扰着天体物理学家，也是《明升体育app》曾发布的125个明升体育app问题之一。磁重联加速、冲击波加速和随机加速等多种机制被提出，用来解释不同天体环境中高能粒子的产生。近期，实验室天体物理研究者在粒子加速方面取得了一系列重要进展，在实验室实现了湍流磁重联加速和冲击波加速。然而，到目前为止随机加速机制还未被证实，其主要难点在于如何在实验室产生和天体类似的大尺度动理学湍流等离子体。
论文第一作者袁大伟博士介绍，研究团队利用SG-II装置在实验室产生超音速对流等离子体，束流速度各向异性诱导电磁威贝尔不稳定性的产生和发展，进而诱发形成大尺度的等离子体紊乱结构。
科研人员采用傅里叶频谱分析发现，该紊乱结构的功率谱与动理学湍流谱高度一致，实验还同时测量来自于不同角度的高能电子幂律谱。理论模拟发现，该高能电子主要来自于湍流等离子体中的热电子与磁岛发生多次“碰撞“获得能量增益，即湍流随机加速，该研究对于理解天体复杂环境中的粒子加速和高能辐射具有重要意义。
明升官网明升体育app院院士、国家天文台研究员赵刚，明升官网明升体育app院院士、上海交通大学李政道研究所所长张杰，明升官网明升体育app院物理研究所研究员李玉同和北京大学教授乔宾为论文通讯作者。
此项研究得到了国家重点研发计划、明升官网明升体育app院青年交叉团队、明升官网明升体育app院A类先导专项、明升官网明升体育app院青年创新促进会资金的资助支持。合作单位包括明升官网明升体育app院物理研究所、北京应用物理与计算数学研究所、北京大学、上海交通大学、北京师范大学、复旦大学及明升官网明升体育app院上海光学精密机械研究所等。
实验室产生电子随机加速过程的艺术图。图中红色小球代表被加速的高能电子，白色曲线代表随机加速电子的运动轨迹，背景紊乱的结构代表天体中大尺度湍流等离子体。科研团队供图
电子随机加速实验。a.实验布局图，b.光学诊断测量的非线性Weibel不稳定性诱导产生的动理学湍流等离子体，c.典型热电子背景能谱和非热电子能谱，d.理论模拟给出电子随机加速的运动轨迹，e.电子每次碰撞后获得的能量增益。 科研团队供图
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