1序言
高能量密度化學主要研究在浮力小于1Mbar的極端條件下的化學性質和過程。在高能量密度化學系統中，單位容積內聚集的能量遠低于分子和原子之間的內能，物質成為電離介質，即等離子體狀態。宇宙中許多天體和天文現象，如太陽、巨行星、超新星、γ射線暴等，都屬于高能量密度數學范疇。實驗室天體化學學是近些年發展上去的化學前沿，其核心是借助高功率激光、Z-箍縮等實驗室手段，在實驗室中研究高能量密度天體化學的過程、機制等。
1960年，梅曼發明了第一臺激光器。隨后數六年里，激光技術得到了日新月異的發展。激光在醫學、生產、航空航天、科研等方方面面早已得到了廣泛應用。在高能量密度化學領域，高功率激光飾演著不可取代的角色。眾所周知，慣性約束核聚變研究就是以高功率激光作為打火驅動裝置的。盡管高功率激光造價高昂，但不少發達國家還是基于本國的國情，建造了一些小型激光裝置，比如德國的國家打火裝置NIF、日本的GekkoXII、法國的LULI、英國的以及我國的神光II等。其中最知名的當屬印度利弗莫爾國家實驗室的NIF——共計192束激光，總能量高達2×106J。這些激光器的主要特征是能量高，單脈沖能量普遍在千焦耳以上。激光脈沖長度通常為毫秒量級。將這些高硬度的激光脈沖聚焦到毫米或微米量級的空間尺度，可以形成約1015W/cm2的光強。在這樣的高光強下，物質頓時會被電離成等離子體狀態，等離子體的體溫、壓強、密度等參數與好多天彰顯象類似，因而營造出類天體環境的化學條件。借助強激光與物質互相作用，模擬天體環境，進行天體化學研究是強激光實驗室天體化學的基本思想。不僅激光器外，其他的高功率脈沖裝置，例如Z-箍縮裝置，也可用于實驗室天體化學研究。并且迄今為止的大部份天體化學實驗都是借助激光器進行的。本文將僅介紹強激光實驗室天體化學的幾個研究進展。
實驗室天體化學源于上世紀90年代，近些年得到蓬勃發展。日本NIF計劃的首要目標其實是實現激光核聚變打火，但實驗室天體化學也是其重要研究方向之一。2000年，中國科大學數學研究所的張杰教授和國家天文臺的趙剛研究員共同撰文，首次在我國系統介紹了強激光實驗室天體化學學的內涵和當時關注的主要問題，由此拉開了我國在該領域的研究帷幕。
實驗室天體化學是激光科學與天體化學的交叉前沿，研究內容十分廣泛，涉及好多的天文狀態、現象和過程，例如物態多項式、不透明度、等離子體波譜、流體熱學等。物態多項式是指一個系統的體溫、壓強、密度等狀態熱阻所滿足的關系式，反映系統的化學性質和演變規律。不透明度是描述天體幅射吸收性質的熱阻。天體的幅射吸收性質與其結構、演化進程等密切相關，所以，得知天體的物態多項式和不透明度對于認識星體、行星等的產生和演變等特別重要。因為天體環境極其復雜，影響等離子體物態多項式和不透明度的誘因多種多樣，天體理論估算結果常常與實際情況不吻合。在實驗室外，通過檢測與天體等離子體類似條件下的狀態熱阻或X射線吸收數據，可以便捷地研究物態多項式或不透明度，同時還可為其他天文研究提供詳細的信息和證據。關于物態多項式和不透明度研究的介紹可參考文獻。波譜偵測仍然是天體化學領域重要的研究手段。從宇宙波譜中，科學家們可以推測發生的化學過程和天體結構。在實驗天體化學研究中，等離子體波譜同樣重要，如文獻中，通過對等離子體X射線吸收譜的偵測，研究了致密天體(如黑洞)的光致電離過程。流體熱學過程是宇宙中普遍存在的化學現象。原本，實驗室天體化學研究的流體熱學問題主要局限于超新星和超新星遺跡。現在，已擴充到太陽、日地空間以及其他天彰顯象，涉及沖擊波、磁重聯、噴流等多個研究問題。本文將重點對這種問題的研究進展進行簡略介紹。
2流體熱學定標關系
在具體介紹研究進展之前，我們首先須要了解一下實驗室天體化學的重要理論根據——流體定標關系。
天體化學過程的空間尺度高達光年，時間尺度歷時數百年乃至億年。而在實驗室中，激光等離子體的規格在毫米量級，持續的時間在微秒量級。這么巨大的時空差異，怎么能夠把天體和實驗室中的化學過程對應上去呢？基本的思路是：針對具體問題，忽視何必要的數學誘因，構建近似的理論模型，再依照理論模型對兩個體系進行標度變換。在流體熱學模型中，根據相對論效應，可以分為相對論流體熱學、非相對論流體熱學；依據磁場的作用，分為純流體熱學、磁流體熱學；根據幅射性質，又分為絕熱流體熱學和幅射流體力學。目前早已舉辦的實驗室天體化學研究主要是非相對論流體熱學過程。上世紀末，等人就針對忽視熱傳導、輻射和粘滯效應的純流體過程進行了標度變換的理論研究，后來又研究了磁流體的情況。隨著研究問題的深入，人們又估算出特定情況下的幅射流體力學等標度變換關系。流體熱學定標關系的本質是相像性原理——在近似條件下，將密度、壓強、速度、時間、長度等參數根據一定比列關系縮小，而描述體系的化學多項式不變。也就是說，當兩個體系初始時刻主要參數的空間分布一致，并滿足一定的比列關系時，因為描述化學規律的多項式一致，所以這兩個體系將發生相像的化學過程，出現類似的化學現象。為此，借助這種標度變換，可以通過實驗室中小尺度、短時間的實驗研究，來模擬大尺度、長時間的天體化學過程。一些常見的模擬實驗中，實驗室的1ns對應天體的幾十秒，1mm對應宇宙中的上萬公里，堪稱是“地上方一日，天上千萬年”！
盡管流體熱學定標關系為我們提供了實驗室天體化學的理論根據，但并不是所有化學過程都可以使用此定標關系。比如，在純流體熱學定標關系中，只有滿足多方二氧化碳近似條件的系統，才可以進行標度變換。系統是否滿足多方二氧化碳近似條件，主要從碰撞、熱傳導、輻射、粘滯性四個方面進行判別。在碰撞方面，要求系統的粒子是局域化的，即電子、離子、中性粒子只能在相對于系統的特點寬度h非常微小的尺度內做微觀運動，即要滿足離子平均自由程遠大于h，或則在弱磁場環境下離子的回旋直徑遠大于h(存在背景磁場的情況要求磁場硬度足夠小，磁壓相比于熱壓可以忽視)。在熱傳導和幅射方面，要求系統中通過粒子間碰撞和幅射傳輸的能量遠大于通過對流傳輸的熱能(貝克萊系數Pe，Pe?>>1)。同時系統的粘滯效應須忽視不計(雷諾數Re>>1)。下邊介紹的無碰撞沖擊波、磁重聯和噴流等方面的研究成果就是借助了流體熱學標度變換，將實驗室結果與天彰顯象聯系在一起的。
3無碰撞沖擊波
超新星作為星體發展的最后階段，是宇宙中最劇烈的天彰顯象之一。它與天體的演進、元素的產生、宇宙射線的加速等重要天文問題密切相關。超新星和超新星遺跡中，普遍存在無碰撞沖擊波過程。當波在介質中傳播的速率超過波速時，都會產生沖擊波。在波前處介質的體溫、壓強、密度等化學熱阻會發生跳變。原子彈爆燃時天體物理學研究什么，爆燃中心壓力驟降，使空氣猛烈回落會產生沖擊波；超音速客機在空氣中穿梭，也會產生沖擊波；宇宙中天體爆燃，如超新星爆燃，同樣會產生沖擊波。沖擊波伴隨著巨大的能量釋放過程。天體中的沖擊波就會加速帶電粒子成為高能粒子和宇宙射線。月球上的沖擊波通常靠粒子間的碰撞來傳遞震動信息，并且宇宙中許多大尺度等離子體的粒子密度很低，粒子間的平均碰撞自由程很大，這造成體系內粒子間是“無碰撞”的，這時等離子體中的帶電粒子可通過電磁場互相作用來傳遞震動信息。這些借助非彈性碰撞過程進行震動傳播的沖擊波，被稱為“無碰撞沖擊波”。對于無碰撞沖擊波的產生、演化、釋能等過程，以及其對粒子的加速機制仍然是天體化學的重要研究課題。
實驗室天體化學對無碰撞沖擊波的研究起步較早，如今早已取得了階段性的進展。我們曾在實驗室中成功重現了無碰撞沖擊波過程，并對無碰撞沖擊波的“不穩定性成絲”進行了較為深入地研究。此后，日本的一個研究小組借助質子束成像手段，也觀測到沖擊波不穩定性成絲；近來，她們又在實驗中進一步證明，因為不穩定性，等離子體中形成的強磁場誘導了無碰撞沖擊波的產生。據悉，美國、法國等國家，也都在沖擊波研究領域取得一些結果。目前，人們早已可以在實驗室中形成多種參數的沖擊波，接出來的研究將普遍關注于沖擊波對粒子的加速問題。關于無碰撞沖擊波更為詳盡的介紹，可以參考文獻。
4磁重聯
磁重聯是指在具有有限濁度率的磁等離子體中，電壓片中的磁力線自發或被迫斷掉和重新連接的過程，磁能會忽然釋放并轉化為等離子體的動能和熱能，造成帶電粒子的加速或加熱(圖1)。磁重聯是宇宙中普遍存在的一種能量轉換機制。
圖1磁重聯過程示意圖
太陽內部頻繁地進行著磁重聯過程，磁重聯又會導致多種常見的太陽活動現象，如太陽日冕。太陽日冕是太陽表面忽然出現、迅速發展的閃亮亮斑，其中伴隨著巨大的能量釋放，大量的粒子在此過程中被加速。太陽日冕形成的高能粒子和宇宙射線與月球大氣分子發生劇烈碰撞時，會破壞電離層，干擾無線電通訊，甚至可能造成無線電通訊的中斷；高能帶電粒子同時會干擾月球磁場天體物理學研究什么，誘發耀斑。所以，對太陽日冕的研究除了具有重要的科研意義，并且對人們的生產生活、災難防治、航空航天等都有重要的實際應用價值。
月球周圍的日地空間同樣發生著磁重聯過程。在經度接近地磁體的地區上空，經常出現多彩艷麗的極光現象。極光是由高能粒子步入月球高層大氣時，碰撞大氣原子、分子并使其迸發、發光而產生的。這些高能粒子正是源自于月球磁尾處的磁重聯。太陽風是從太陽表面射向宇宙空間的磁化等離子體，上面包含著大量的電子和離子。當太陽風撞擊到月球后，受太陽風作用，地磁場的拓撲結構會發生例如拉伸、壓縮等改變(圖2)。畸變的磁場在月球磁尾處產生電壓片，發生磁重聯(圖2中紅框區域)。磁重聯加速的高能粒子一部份向月球運動，在兩極附近步入大氣層，誘發艷麗的極光。
圖2月球附近的磁場分布
我們借助國外的“神光II”激光裝置，對太陽日冕和日地空間的磁重聯現象進行了比較深入的實驗研究。當高硬度激光照射到固體靶時，在等離子體中可自發形成螺旋形百特斯拉磁場。該磁場被“凍結”在等離子體表面附近。借助兩束強激光打在同一靶面上兩個相仿的點，隨兩個等離子體的膨脹，在兩靶向中間區域，反向的磁力線將互相緊靠、發生重聯。我們用此方法模擬了太陽日冕的磁重聯過程，首次在實驗中觀測到磁重聯的重要標志之一——環頂X射線源。實驗結果如圖3所示，圖3(a)是太陽日冕磁重聯的天文觀測結果；圖3(b)是實驗中借助針眼單反檢測得到的靶面X光像，其中，兩個紅色亮斑為激光打靶向，白線勾勒出了自生磁場的幾何結構，白色箭頭標明的是磁重聯形成的噴流的運動方向。向上運動的噴流撞擊到下方銅靶(拿來模擬太陽表面等離子體)，銅靶被加熱后輻射出X射線，產生X射線源。對比圖3(a)和(b)，可以發覺天文觀測和實驗結果非常吻合。該實驗驗證了天文學中關于太陽日冕磁重聯過程的推論，同時證明了借助強激光進行磁重聯實驗研究的可行性。《自然中國》評價該實驗為“實驗臺上的太陽日冕(bench-topsolar)”。
圖3天文觀測和實驗結果的對比(a)太陽日冕環的天文觀測結果；(b)實驗所測靶面X射線成像
此后，我們采用兩個分離靶取代單個平面靶，對磁重聯過程進行了進一步研究。圖4是實驗得到的干涉圖、自發光成像和PIC理論模擬結果的對比。從圖4中可以見到，在重聯區域的下方產生了三個噴流，分別坐落重聯中心和兩邊，而且中心的噴流速率顯著更快。借助實驗結果計算出的中心噴流速率高達600km/s。實驗中還觀測到磁重聯區形成了向外運動的“磁島”，磁島的快速運動改變了重聯的磁場結構，造成了二階電壓片和日冕環的形成。
圖4光學成像和理論模擬(a)和(b)對應不同時刻的干涉成像；(c)等離子體自發光成像；(d)PIC理論模擬結果；(e)輪廓示意圖
近來，我們又對太陽風和金星互相作用過程進行了實驗研究。金星作為太陽系八大行星之一，它的直徑等宏觀參數和月球類似，被稱為月球的“姊妹星”。雖然從天文觀測數據來看，金星表面氣候參數和月球氣候參數有著很大差別，而且科學家們猜測，金星內部構造可能與月球非常相仿。從上世紀60年代以來，人們對金星的天文偵測未曾間斷過，發送或路過金星的偵測器早已超過40個。金星又是太陽系中惟一沒有固有磁場的行星。同月球一樣，金星也遭到太陽風的強烈作用。實驗中，我們借助激光照射平面靶，用靶反面“推出”的大規格、高速率等離子團來取代“太陽風”，進行“太陽風和金星互相作用”模擬實驗。實驗中觀測到了與金星磁尾類似的等離子體結構。相關的理論模擬工作還在進行中。
5噴流
天體中的噴流是天體噴吐的低矮、準直、高速、定向物質流，例如—Haro恒星的雙對稱結構噴流(圖5)。噴流寬度在1017—范圍內，隨著恒星的不同而不等；流速達到幾百公里每秒，是介質波速的10倍以上。噴流作為基本的天體結構，它的形成、準直、碰撞、偏折等機制仍然是天體化學中的重要研究問題。
圖5HH212天體噴流的H2自發發光像
借助強激光形成的噴流，根據激光打靶形式分為靶前噴流和靶后噴流(激光照射面為靶前)。相對于靶后噴流而言，靶前噴流通常氣溫較高、密度較低、速度較快。在靶后噴流的實驗中，通過在噴流傳播路徑放置不同介質，可以便捷地研究介質對噴流的影響。目前，人們研究較多的是靶前噴流，如文獻中，LiC.K.采用多束激光照射平行放置的兩個平面靶內表面，產生相向運動的兩束噴流，研究了高馬赫數噴流的碰撞偏折問題。
對于噴流的形成機制主要有兩種觀點：純流體模型和磁流體模型。目前，磁流體模型普遍為人們所接受。在磁流體模型中，吸積盤周圍的等離子體受磁場作用步入吸積盤中心，并在磁場作用下完成角動量向軸向雙極動量轉化的過程。近來，等人借助四個線圈形成方向如圖6(a)、強度0.2MG的磁場，通過光學成像偵測噴流的內部結構，并進行了相關的磁流體熱學模擬。結果證明了角向磁場對等離子體準直的影響，闡明了年青星系(YSOs)中雙極噴流的產生過程。噴流研究成果還有好多，具體可參考文獻。
圖6借助磁場對噴流進行準直的實驗結果(a)噴流產生機制示意圖；(b)20ns延后時噴流整體等離子體密度分布；(c)和(d)分別為有磁場和無磁場情況下噴流局部等離子體密度分布；(e)實線處密度分布曲線；(f)靶和磁場分布
6強悍磁場形成
磁場廣泛彌漫于宇宙環境中，大多數天體過程就會遭到磁場的影響。但是，實驗室對磁場環境下天體化學的研究卻面臨好多困難，其中首要的是強磁場的形成。宇宙中的許多天體都是極強的磁極，如中子星，它的磁場硬度是月球磁場硬度的100萬億倍(地磁場硬度約為5×10-5T)。雖然星際間的磁場硬度很弱(如月球附近太陽風磁場約為10-9T)，并且經過磁流體熱學定標變換，要在實驗室模擬類似的化學環境，仍須要幾十甚至幾百特斯拉的強磁場。較強的鐵磁材料，表面磁場硬度僅有零點幾特斯拉；傳統的電磁鐵線圈形成的穩恒磁場，場強只能達到幾特斯拉；脈沖強磁場的硬度，最強也不過上百特斯拉。無論是穩恒吸鐵石線圈還是脈沖線圈，進一步增強磁場硬度都面臨著巨大困難，并且對實驗布局和材料提出了嚴苛的要求。例如，穩恒電磁鐵的容積特別大，無法放到強激光實驗的真空靶室外；在高硬度電壓狀態下，脈沖線圈的金屬絲極易凝固。2012年，等人借助強激光照射電容線圈靶，得到了千特斯拉量級的強悍磁場。她們的實驗靶型如圖7所示，強激光從環狀極板中間的小孔穿過，打在前面的圓盤極板上，激光加速的超熱電子飛離圓盤極板，迅速抵達后面的環型極板，因而在兩極板和螺旋導線間產生了電壓回路，并在螺旋導線處誘發千特斯拉磁場。近來，我們采用更為簡單的線圈靶型，在神光II激光裝置上，得到了約600T的強磁場。同時在實驗中研究了場強和激光的關系，通過改變激光參數可以實現對磁場硬度的控制。這些簡單的靶設計，無論從靶制備，還是與其他實驗的結合應用，都愈發方便。
圖7電容靶圖(a)側面；(b)正面
這些近千特斯拉的強悍磁場除了在實驗室天體化學中有重要應用，還可以作為一種強有力的調控手段，應用到匯聚態等化學其他領域。
7推論和展望
以上簡略介紹了實驗室天體化學學的基本思想和一些問題的新進展。其實實驗室天體化學的發展時間不長，而且相關研究成果證明了其可行性，并取得了一批重要成果。但是，實驗室天體化學還是相對年青的學科，好多的重要問題急待探求，實驗技術和理論模擬能力也須要進一步發展。
本文介紹的研究進展都屬于非相對論情況，實驗所用激光裝置為毫秒、高功率小型激光裝置。上世紀80年代，Morou發明了啁啾激光脈沖放大技術，將激光占空比壓縮到了皮秒尺度，相應的激光光強提升了幾個量級，可達到1020W/cm2以上。當激光硬度小于1018W/cm2時，電子在電場中的振蕩速率接近光速，激光和等離子體作用會呈現顯著的相對論效應。天體中好多現象都是相對論性的，超短強悍激光為舉辦相對論實驗室天體化學研究提供了有力手段。在相對論范疇，無論是無碰撞沖擊波，還是噴流等都將與上面非相對論情況有很大不同。借助超短超強激光還可以開拓新的實驗室天體化學研究方向，比如相對論電子的加速和幅射問題、宇宙射線的相對論加速機制、極強宇宙磁極的模擬研究以及相對論極端條件下的其他天體過程。實際上，國外外好多研究組都擁有這些超短強悍激光裝置。我們相信，這一新趨勢會越來越導致你們的研究興趣。
致謝文中部分成果是與中國工程數學研究院激光聚變研究中心、中國科大學北京光學精密機械研究所高功率激光化學聯合實驗室、上海激光等離子體研究所、北京應用化學與估算物理研究所、北京學院、中國科學技術學院、大阪學院激光工程研究所、韓國原子能研究所量子光學實驗室等相關研究人員合作完成的，在此一并表示謝謝。另外作者還謝謝神光II激光裝置全體運行人員的大力支持。
本文選自《物理》2016年第2期
