实验室中高马赫数激光驱动磁化无碰撞激波的产生与演化

激波将入射的超音速流转化为热量，在无碰撞等离子体中，激波层通过集体电磁效应在动力学等离子体尺度上形成。这类无碰撞激波已在许多空间和天文系统中被观测到 [Smith 1975, Smith 1980, Burlaga 2008, Sulaiman 2015]，并被认为能将包括宇宙线在内的粒子加速至极高能量 [Kazanas 1986, Loeb 2000, Bamba 2003, Masters 2013, Ackermann 2013]。尤其重要的是高马赫数超临界激波 [Balogh 2013]（$M_A\gtrsim4$），其必须将大量粒子反射回上游以容纳熵产生，并在此过程中为所提出的粒子加速机制提供种子 [Blandford 1978, McClements 2001, Caprioli 2014, Matsumoto 2015]。这里我们首次在实验室中通过膨胀的激光驱动等离子体与磁化背景等离子体的相互作用产生了高马赫数磁化无碰撞激波。对等离子体密度和磁场的时间分辨二维成像显示了一个以磁声马赫数 $M_{ms}\approx12$ 传播的超临界激波的形成与演化。受实验数据约束的粒子模拟详细展示了激波的形成、多物种背景等离子体中 C$^{+6}$ 和 H$^{+1}$ 离子的分离反射动力学，以及激波层中的密度和磁场压缩与过冲。该实验平台的发展补充了现有的遥感与航天器观测，并为受控实验室研究高马赫数无碰撞激波（包括粒子加速的机制与效率）开辟了道路。