Weibel成丝不稳定性的实验室研究

Astrophysical collisionless shocks have been of interest as a mechanism of the self-generated magnetic fields and cosmic-ray acceletation. Theoretical studies have shown that Weibel instability is a promising candidate for shock formation. However, studying the Weibel instability is still a challenge in laboratory, because the occurrence conditions for the instability are unclear. The project aims to explore and define the physical conditions of Weibel instability, revealing the microscopic physical process of the Weibel mediated shock formation. This project is also contributing to the future study of the collisionless shock formation and particles acceleration.

无碰撞冲击波因与宇宙中磁场的产生和粒子加速等问题被大家所广泛关注。理论研究表明：Weibel不稳定性作为一种微观电磁不稳定性，被认为是诱导天体中冲击波形成的主要机制。然而实验室产生Weibel不稳定性还是十分具有挑战性的。本项目旨在利用实验室的极端条件明确Weibel不稳定性产生的物理条件，深入研究Weibel不稳定性的增长率规律和特性,试图揭示Weibel不稳定性在无碰撞冲击波的形成过程中所起到的所用。为今后研究Weibel冲击波的形成和离子加速奠定基础。

被称作宇宙射线加速器的无碰撞冲击波引起了天体物理学家广泛关注，利用传统的天文观测方法很难对其形成机制这一微观物理过程进行研究。实验室天体物理作为一种研究天体物理问题的新范式，它通过在实验室创造和天体类似的极端物理环境，可以对冲击波的产生机理及其粒子加速问题进行研究。在本项目的资助下，我们依托于中国上海神光二号激光装置对天体冲击波形成的微观物理过程开展研究，取得的主要成果如下：首次给出了与冲击波形成密切相关的韦伯不稳定性发展演化的物理图像，并获得了湍流等离子体状态；在湍流等离子体中观测到了由随机加速而得到的高能电子，这一发现有可能会解决冲击波加速过程中的“电子注入”问题。基于本项目的研究，为我们后续研究无碰撞电磁冲击波和粒子加速奠定了基础。