近日，北京师范大学文理学院仲佳勇教授与上海交通大学张杰院士合作，在国际权威综述期刊Nature Reviews Physics在线发表了题为“Laser-produced plasmas as probes of astrophysical magnetic fields”的综述论文。文章系统梳理了天体磁场的产生、放大、输运、耗散以及对天体等离子体约束等关键物理过程，深入阐述了强激光产生等离子体在模拟天体极端环境、研究天体磁场物理特性方面的核心价值。
天体磁场广泛存在于行星、恒星、星系乃至星系团等不同尺度的天体系统中，是恒星形成、星系演化、宇宙高能粒子加速、天体喷流产生等关键天体物理现象的核心因素。例如，脉冲星的磁场强度可达10⁸特斯拉（相当于地球磁场的万亿倍）；而星系尺度的磁场虽仅有10⁻¹²-10⁻⁹特斯拉，却也能影响宇宙大尺度结构的形成。受限于天体环境的极端性和观测技术的局限性，天体磁场的产生与放大机制、演化规律，及其与等离子体的相互作用和对粒子加速过程的影响等，仍是天体物理前沿的热点难题。
激光驱动的等离子体磁场重联
传统磁场研究主要依赖天文观测和理论模拟，而强激光产生的等离子体为解决这些难题提供了全新途径。本论文系统阐述了激光等离子体在天体磁场研究中的核心应用。在磁场产生方面，比尔曼电池效应、Weibel不稳定性等典型的天体等离子体磁场产生机制可以在实验室中通过强激光等离子体有效复现，为理解宇宙种子磁场起源提供了实验依据，并实现了对20-100特斯拉级别磁场的主动调控。在磁场放大与输运方面，论文重点分析了湍流发电机和冻结磁通两种核心放大机制。实验证实，湍流运动可将弱种子磁场放大；而在致密天体形成过程中，通过冻结磁通效应，可以将原恒星的弱磁场急剧放大。在磁场耗散与粒子加速研究中，磁重联是磁场能量转化的核心过程。论文详细介绍了激光等离子体实验对太阳耀斑、太阳针状体等天体现象的模拟，包括利用我国神光-II激光装置成功模拟太阳耀斑中的关键现象，并支持了太阳针状体产生的“强脉冲模型”。在等离子体约束方面，针对T型金牛座恒星的磁吸积和双极喷流过程，实验通过特殊靶材设计，成功复现了从吸积到产生双极喷流的整体过程，并提出了新模型。论文还总结了实验室天体物理中的标度变换原理以及磁场的多种诊断技术。
Nature Reviews Physics 是Nature系列的顶尖综述期刊。此次论文的发表，标志着我国在实验室天体物理研究领域的学术影响力得到国际权威认可，为后续开展极端天体物理环境的实验室模拟研究奠定了重要基础。
受邀通讯作者张杰院士，现任上海交通大学李政道研究所所长、暗物质全国重点实验室主任，在强激光与物质相互作用、激光聚变物理、实验室天体物理等领域取得多项突破性成果。第一作者仲佳勇教授，国家杰出青年基金获得者，现任职于北京师范大学文理学院、物理与天文学院和天文与天体物理前沿科学研究所，主要从事实验室天体物理研究。该研究得到科技部、国家自然科学基金委员会和中国科学院先导专项基金支持。