近日，中国科学院国家天文台联合北京大学、中国科学院物理研究所、上海交通大学等，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。7月13日，相关研究成果以Electron stochastic acceleration in laboratory-produced kinetic turbulent plasmas为题，发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。
天体中高能粒子的起源问题困扰着天体物理学家。磁重联加速、冲击波加速和随机加速等多种机制被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在粒子加速方面取得了一系列进展，在实验室实现了湍流磁重联加速和冲击波加速。然而，随机加速机制尚未被证实，其主要难点在于如何在实验室产生与天体类似的大尺度动理学湍流等离子体。
该团队利用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Weibel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，这一紊乱结构的功率谱与动理学湍流谱高度一致。同时，实验测量了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热电子与磁岛发生多次“碰撞”获得的能量增益，即湍流随机加速。上述成果对于探讨天体复杂环境中粒子加速和高能辐射具有重要意义。
研究工作得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项(A类)、中国科学院青年交叉团队项目、中国科学院青年创新促进会会员项目的支持。
实验室产生电子随机加速过程的艺术图。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。
