近日，等离子体物理与聚变工程系郑坚教授团队采用数值模拟手段首次展示了在激光等离子体装置上获得螺旋形强磁场的方法，此螺旋状磁场与原恒星、行星状星云射流周围的准直磁场存在无量纲意义上的相似性，对研究天文射流形态、原恒星吸积过程、恒星演化对周围星云包络的影响都有重要意义。该研究成果以“Generation of astrophysical relevant helical magnetic structure in laser-produced plasma”为题发表在《Plasma Physics and Controlled Fusion》上，第一作者是博士后研究员陶弢。
高准直度的物质外流与天体演化之间具有密切联系，譬如原恒星总是伴有数百到数千au长度的双极流，而处于行星状星云大部分都呈现椭球形结构，磁场被认为是导致外流偏离球对称的关键因素。理论上此种磁场具有螺旋特征，螺线箍缩作用可减小恒星风的发散角，螺旋结构输运可带走吸积盘的多余动量，增加星体形成速度。由于流体力学方程具有标度变换不变性，可以利用实验室尺度等离子体在微缩的时间尺度上重现天文外流的演化。然而天文磁场螺旋形态是星体重力场内物质旋转自然导致，难以在激光实验中构造。在此之前，基于激光的实验室天体物理平台无法研究与螺旋场有关的天体问题。
在本工作中，作者结合科大激光磁化等离子体实验室的最新能力，提出利用脉冲功率装置产生最高10Tesla的均匀纵向磁场，之后利用强激光打击平面固体靶产生1~100Tesla的环向自生磁场，通过两种磁场的扩散融合形成目标螺旋场。文中扩展磁流体（extended-MHD）模拟结果表明，此手段产生的实验室螺旋场具有高强度（磁场压力可大于流体压力）、高相似度（初始条件、边界条件与天文射流系统一致）、可按需调节（螺旋场强度、倾角、内径可变）的特点。无量纲计算指出，等离子体在此种螺旋磁场内2ns的演化形态可与原恒星外流~12yr内，行星状星云~2400yr内的演化形态建立联系。由于天文观测的限制，我们对星体磁场与星际物质的相互作用细节仍有许多认识不足之处，此项工作出提出的实验范式有望启发一系列和螺旋磁场准直、输运、调节有关的实验室天体物理工作，以解答仍存在的诸多未解之谜。
该项研究得到了中物院挑战计划、中科院先导专项等基金资助。文章全文见https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6587/abe13b。
图1.依照解析公式描绘的两类天文螺旋型磁场磁力线示意。
图2.在激光平台产生螺旋磁场的概念设计。a）套筒反射法；2）环状焦斑法。详见原文
图3. 模拟得到的实验室尺度螺旋磁场结果。a）套筒反射法；2）环状焦斑法