实验室激光等离子体重现太阳纳耀斑加热过程

中国的物理学家在实验室中重现了一个可能有助于解释太阳外层大气为何比表面热数百倍的过程：激光产生的等离子体中的磁场相互靠拢，并将磁能转化为热能。

这项工作由包括中国原子能科学研究院的孙伟（Wei Sun）和北京师范大学的平永利（Yongli Ping）在内的团队完成，于10月20日在线发表于Physical Review Letters。

炽热日冕之谜

太阳可见表面的温度约为5500 °C，而其外层大气——日冕——的温度可超过一百万摄氏度。数十年来，科学家一直试图解释这一薄层为何能保持如此高温。一种怀疑对象是无数微小的耀斑，即纳耀斑，它们合起来可能提供这些热量。这项新实验检验了其中一部分纳耀斑的一种可能触发机制。

太阳中充满等离子体——一种由带电粒子构成的物质状态——并被磁场贯穿。当方向相反的磁场相遇并发生重联时，储存的磁能被释放出来，加热粒子。这一过程称为磁重联。

实验是如何进行的

在上海的神光-II激光装置上，研究人员将四束相互重叠的激光射向表面带有细微波纹的塑料靶。每个脉冲持续十亿分之一秒，把靶材变成等离子体。当等离子体向密度低得多的周围环境膨胀并减速时，其边界上的波纹长成了“手指”和蘑菇状结构，这种行为被称为瑞利–泰勒不稳定性。

等离子体在这些“手指”周围产生了自身的磁场，相邻结构带有方向相反的磁场。计算机模拟显示，不断膨胀的“手指”把这些磁场推到一起，使它们发生重联并加热周围的等离子体。

测量结果显示了什么

团队用平整的塑料靶重复了实验，得到了更平滑、没有“手指”的流动。研究人员根据等离子体发出的X射线估算了其电子温度。使用带波纹的靶时，电子峰值温度达到约82万 °C；使用平整靶时，约为前者的一半。在另一项禁止磁场形成的模拟中，额外的加热基本消失，这支持了磁场所起的作用。

在太阳上，在相对较冷、较致密的等离子体穿过周围大气下落的地方（这种现象称为日冕雨），可能出现类似条件，形成可让这种不稳定性发展的边界。

比较的局限

实验室中的等离子体比太阳纳耀斑中的密度大得多，过程发生的时间尺度也短得多。此外，该装置也没有重现太阳上磁能的完整积累过程。这些发现支持了一种可能有助于加热日冕的机制；要确定它在太阳上发生的频率以及提供了多大比例的加热，还需要更多观测和实验。更多内容见我们的科学栏目。