实验室等离子体技术揭示恒星之谜

中国原子能科学研究院 周书华 编译自 Susan Curtis. Physics， September 4，2026

本文选自《物理》2026年第10期

研究人员利用高功率激光驱动高磁化等离子体，对控制日冕物质抛射的恒星物理过程进行了探究。

一些最具代表性的太阳图像记录了日冕物质抛射(CME)所蕴含的爆发性能量——在CME过程中，巨大的磁化等离子体云从太阳大气层中喷发而出。然而，CME在其他恒星上极少被观测到，这一情况多年来一直令天体物理学家们感到困惑。如今，一个国际研究团队设计了一项实验，能够在实验室环境中重现这些恒星爆发现象，从而为“日冕物质抛射可被强磁场抑制”这一观点提供明确的证据。该实验方法亦可应用于探究磁约束在其他恒星活动中的作用。

太阳活动。日冕物质抛射——例如这张由太阳动力学观测站于2012年8月拍摄的照片——对空间天气有重大影响。天文学家一直在附近恒星周围寻找类似事件，但只探测到少数几个

当太阳磁场发生扭曲和失稳时，就会发生太阳日冕物质抛射。在此过程中，磁能的突然释放可将巨大的等离子体流抛射至太空中。这种现象对地球产生的影响表现为地磁暴、壮观的极光以及偶尔出现的电子系统紊乱。天体物理学家曾试图在邻近恒星上搜寻CME的迹象，但目前已识别出的少数候选事件的强度远低于根据太阳CME数据所预期的水平。

研究人员推测，CME活动的差异是因恒星磁场的差异所导致的。用于开展CME研究的恒星通常为年轻且距离地球较近的恒星，它们高速自转，所产生的磁场强度约为太阳磁场强度的10至100倍。此前的模拟研究表明，如此强的磁场可能会阻碍CME从恒星表面逸出，但目前尚缺乏直接证据来支持这一理论。

磁场的作用。基于激光产生等离子体的数值模拟结果显示(深色区域表示较高密度)：当磁场强度为10 T时(上图)，等离子体向外流动，仅通过所谓的“槽纹”不稳定性逐渐损失能量；当磁场强度为30 T时(下图)，扭曲不稳定性使等离子体流发生偏转，导致能量损失更为迅速，最终使等离子体完全停止运动

由德国波茨坦莱布尼茨天体物理研究所的天体物理学家Julian Alvarado-Gómez与法国巴黎综合理工学院的等离子体物理学家Julien Fuchs共同领导的团队设计了一项实验，旨在重现CME从恒星发射进入太空时所处的物理条件。该团队利用法国强激光应用实验室(LULI)的实验设备，向由特氟龙制成的平面靶材发射激光脉冲。每个脉冲均产生一股由电离化的聚四氟乙烯分子组成的高温等离子体流，该等离子体流从靶材处喷射而出。为模拟恒星磁场，靶室内的两组导线线圈产生一个垂直于等离子体流动方向的强磁场。该背景磁场将等离子体流压缩成一个平坦且向外运动的薄片。研究人员将某些物理量(例如磁压与等离子体压力之比)的取值设定为与天体物理环境中的数值相近，从而确保其实验室系统所呈现的演化过程与恒星CME的演化过程一致。随后，他们观察了增加磁场强度所产生的影响。在10 T的磁场强度下，等离子体在实验时间尺度内无阻碍地流动；当磁场强度达到30 T时，出现了明显的改变：等离子体流开始扭曲并分岔，等离子体流的速度也显著减慢，随后在行进约10 mm后完全停止。这一现象与在邻近恒星周围观测到的微弱CME现象相符。

为探究这一现象背后的物理机制，研究团队利用成熟的数值模型复现了实验观测结果。在强磁场条件下，该模型揭示了实验室环境下等离子体流中存在的类扭曲不稳定性现象；这些不稳定性导致等离子体流分裂成多个小流束，并最终逐渐消散。

这些结果与天体物理模拟结果一致，当磁场强度超过某一阈值时，便能阻止特定能量的日冕物质抛射逃离其宿主恒星。将实验室的结果外推至天体物理尺度后可知，对于典型的CME能量而言，该阈值约为100高斯 (0.01 T)——这一数值对于年轻恒星而言属于正常范围。

广而言之，如此强的磁场与等离子体流相互作用的能力，为研究恒星环境提供了新的机遇。

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