天体等离子体中坍塌湍动场加速研究

等离子体加热和高能粒子的加速一直是天体等离子体物理面临的重大前沿课题之一。加速粒子需要激波波阵面附近存在足够大的磁场。如果没有足够大的磁场，加速粒子的最大能量非常低，其在天体高能粒子加速中几乎不起作用。最新的脉动X射线热点观测表明，超新星遗迹的磁场比科学家们之前想像的要强大得多。还有证据表明在超新星遗迹中电子可以被加速到一百太电子伏特，甚至质子也可能被加速到如此之高的能量。可见，宇宙射线加速理论的核心就是磁场强度。本课题从坍塌动力论出发，研究天体等离子体中波-波和波-粒子非线性作用所决定的坍塌不稳定性产物-空间间歇的自生磁场，该自生磁场将很快坍塌至极高的强度，这种快坍塌的低频电磁场将对粒子进行一次加速，坍塌的湍动场将对粒子进行二次加速（湍动加速），通过计算可获得被加速粒子的能谱。探究宇宙高能粒子的产生新机制以及它们与宇宙星系活动的关系，对天体等离子体物理具有很大的意义和实际价值。

探究高能粒子的产生机制是了解宇宙星系活动的关键。局域性高强度低频电磁场的坍塌及其湍动对等离子体加热和粒子加速至关重要。围绕本项目的研究目标，研究了相对论性等离子体中自生磁场及其坍塌动力学非线性效应；给出了强电磁波在等离子体中的调制坍塌相互作用的物理图像；研究了正负电子对等离子体中的动力学非线性效应；分析自引力系统中自生电性与磁性引力场的调制坍塌过程；得到等离子体中强朗缪尔湍动谱以及探究朗缪尔湍动加速机制；给出了含超热粒子等离子体中波的色散关系以及其中的动力学非线性结构的形成机制。研究表明这种低频的电磁场将很快调制坍塌至极高的强度，并形成湍动状态。快坍塌的低频电磁场将有效地对粒子进行一次加速，此后湍动场将对粒子进行二次加速(湍动加速)，得到的加速粒子的能谱能很好地解释实验观测现象。利用实验室等离子体物理来模拟研究天体环境中的观测现象是目前越来越受到关注的新型手段；同时，天体物理也为实验室等离子体的研究和发展提供了方向。因此，本项目提出的坍塌的湍动场的粒子加速机制，具有一定的普适意义。