1序言
高能量密度化学主要研究在浮力小于1Mbar的极端条件下的化学性质和过程。在高能量密度化学系统中，单位容积内聚集的能量远低于分子和原子之间的内能，物质成为电离介质，即等离子体状态。宇宙中许多天体和天文现象，如太阳、巨行星、超新星、γ射线暴等，都属于高能量密度数学范畴。实验室天体化学学是近些年发展上去的化学前沿，其核心是借助高功率激光、Z-箍缩等实验室手段，在实验室中研究高能量密度天体化学的过程、机制等。
1960年，梅曼发明了第一台激光器。随后数六年里，激光技术得到了日新月异的发展。激光在医学、生产、航空航天、科研等方方面面早已得到了广泛应用。在高能量密度化学领域，高功率激光饰演着不可取代的角色。众所周知，惯性约束核聚变研究就是以高功率激光作为打火驱动装置的。尽管高功率激光造价高昂，但不少发达国家还是基于本国的国情，建造了一些小型激光装置，比如德国的国家打火装置NIF、日本的GekkoXII、法国的LULI、英国的以及我国的神光II等。其中最知名的当属印度利弗莫尔国家实验室的NIF——共计192束激光，总能量高达2×106J。这些激光器的主要特征是能量高，单脉冲能量普遍在千焦耳以上。激光脉冲长度通常为毫秒量级。将这些高硬度的激光脉冲聚焦到毫米或微米量级的空间尺度，可以形成约1015W/cm2的光强。在这样的高光强下，物质顿时会被电离成等离子体状态，等离子体的体温、压强、密度等参数与好多天彰显象类似，因而营造出类天体环境的化学条件。借助强激光与物质互相作用，模拟天体环境，进行天体化学研究是强激光实验室天体化学的基本思想。不仅激光器外，其他的高功率脉冲装置，例如Z-箍缩装置，也可用于实验室天体化学研究。并且迄今为止的大部份天体化学实验都是借助激光器进行的。本文将仅介绍强激光实验室天体化学的几个研究进展。
实验室天体化学源于上世纪90年代，近些年得到蓬勃发展。日本NIF计划的首要目标其实是实现激光核聚变打火，但实验室天体化学也是其重要研究方向之一。2000年，中国科大学数学研究所的张杰教授和国家天文台的赵刚研究员共同撰文，首次在我国系统介绍了强激光实验室天体化学学的内涵和当时关注的主要问题，由此拉开了我国在该领域的研究帷幕。
实验室天体化学是激光科学与天体化学的交叉前沿，研究内容十分广泛，涉及好多的天文状态、现象和过程，例如物态多项式、不透明度、等离子体波谱、流体热学等。物态多项式是指一个系统的体温、压强、密度等状态热阻所满足的关系式，反映系统的化学性质和演变规律。不透明度是描述天体幅射吸收性质的热阻。天体的幅射吸收性质与其结构、演化进程等密切相关，所以，得知天体的物态多项式和不透明度对于认识星体、行星等的产生和演变等特别重要。因为天体环境极其复杂，影响等离子体物态多项式和不透明度的诱因多种多样，天体理论估算结果常常与实际情况不吻合。在实验室外，通过检测与天体等离子体类似条件下的状态热阻或X射线吸收数据，可以便捷地研究物态多项式或不透明度，同时还可为其他天文研究提供详细的信息和证据。关于物态多项式和不透明度研究的介绍可参考文献。波谱侦测仍然是天体化学领域重要的研究手段。从宇宙波谱中，科学家们可以推测发生的化学过程和天体结构。在实验天体化学研究中，等离子体波谱同样重要，如文献中，通过对等离子体X射线吸收谱的侦测，研究了致密天体(如黑洞)的光致电离过程。流体热学过程是宇宙中普遍存在的化学现象。原本，实验室天体化学研究的流体热学问题主要局限于超新星和超新星遗迹。现在，已扩充到太阳、日地空间以及其他天彰显象，涉及冲击波、磁重联、喷流等多个研究问题。本文将重点对这种问题的研究进展进行简略介绍。
2流体热学定标关系
在具体介绍研究进展之前，我们首先须要了解一下实验室天体化学的重要理论根据——流体定标关系。
天体化学过程的空间尺度高达光年，时间尺度历时数百年乃至亿年。而在实验室中，激光等离子体的规格在毫米量级，持续的时间在微秒量级。这么巨大的时空差异，怎么能够把天体和实验室中的化学过程对应上去呢？基本的思路是：针对具体问题，忽视何必要的数学诱因，构建近似的理论模型，再依照理论模型对两个体系进行标度变换。在流体热学模型中，根据相对论效应，可以分为相对论流体热学、非相对论流体热学；依据磁场的作用，分为纯流体热学、磁流体热学；根据幅射性质，又分为绝热流体热学和幅射流体力学。目前早已举办的实验室天体化学研究主要是非相对论流体热学过程。上世纪末，等人就针对忽视热传导、辐射和粘滞效应的纯流体过程进行了标度变换的理论研究，后来又研究了磁流体的情况。随着研究问题的深入，人们又估算出特定情况下的幅射流体力学等标度变换关系。流体热学定标关系的本质是相像性原理——在近似条件下，将密度、压强、速度、时间、长度等参数根据一定比列关系缩小，而描述体系的化学多项式不变。也就是说，当两个体系初始时刻主要参数的空间分布一致，并满足一定的比列关系时，因为描述化学规律的多项式一致，所以这两个体系将发生相像的化学过程，出现类似的化学现象。为此，借助这种标度变换，可以通过实验室中小尺度、短时间的实验研究，来模拟大尺度、长时间的天体化学过程。一些常见的模拟实验中，实验室的1ns对应天体的几十秒，1mm对应宇宙中的上万公里，堪称是“地上方一日，天上千万年”！
尽管流体热学定标关系为我们提供了实验室天体化学的理论根据，但并不是所有化学过程都可以使用此定标关系。比如，在纯流体热学定标关系中，只有满足多方二氧化碳近似条件的系统，才可以进行标度变换。系统是否满足多方二氧化碳近似条件，主要从碰撞、热传导、辐射、粘滞性四个方面进行判别。在碰撞方面，要求系统的粒子是局域化的，即电子、离子、中性粒子只能在相对于系统的特点宽度h非常微小的尺度内做微观运动，即要满足离子平均自由程远大于h，或则在弱磁场环境下离子的回旋直径远大于h(存在背景磁场的情况要求磁场硬度足够小，磁压相比于热压可以忽视)。在热传导和幅射方面，要求系统中通过粒子间碰撞和幅射传输的能量远大于通过对流传输的热能(贝克莱系数Pe，PeƔ>>1)。同时系统的粘滞效应须忽视不计(雷诺数Re>>1)。下边介绍的无碰撞冲击波、磁重联和喷流等方面的研究成果就是借助了流体热学标度变换，将实验室结果与天彰显象联系在一起的。
3无碰撞冲击波
超新星作为星体发展的最后阶段，是宇宙中最剧烈的天彰显象之一。它与天体的演进、元素的产生、宇宙射线的加速等重要天文问题密切相关。超新星和超新星遗迹中，普遍存在无碰撞冲击波过程。当波在介质中传播的速率超过波速时，都会产生冲击波。在波前处介质的体温、压强、密度等化学热阻会发生跳变。原子弹爆燃时天体物理学研究什么，爆燃中心压力骤降，使空气猛烈回落会产生冲击波；超音速客机在空气中穿梭，也会产生冲击波；宇宙中天体爆燃，如超新星爆燃，同样会产生冲击波。冲击波伴随着巨大的能量释放过程。天体中的冲击波就会加速带电粒子成为高能粒子和宇宙射线。月球上的冲击波通常靠粒子间的碰撞来传递震动信息，并且宇宙中许多大尺度等离子体的粒子密度很低，粒子间的平均碰撞自由程很大，这造成体系内粒子间是“无碰撞”的，这时等离子体中的带电粒子可通过电磁场互相作用来传递震动信息。这些借助非弹性碰撞过程进行震动传播的冲击波，被称为“无碰撞冲击波”。对于无碰撞冲击波的产生、演化、释能等过程，以及其对粒子的加速机制仍然是天体化学的重要研究课题。
实验室天体化学对无碰撞冲击波的研究起步较早，如今早已取得了阶段性的进展。我们曾在实验室中成功重现了无碰撞冲击波过程，并对无碰撞冲击波的“不稳定性成丝”进行了较为深入地研究。此后，日本的一个研究小组借助质子束成像手段，也观测到冲击波不稳定性成丝；近来，她们又在实验中进一步证明，因为不稳定性，等离子体中形成的强磁场诱导了无碰撞冲击波的产生。据悉，美国、法国等国家，也都在冲击波研究领域取得一些结果。目前，人们早已可以在实验室中形成多种参数的冲击波，接出来的研究将普遍关注于冲击波对粒子的加速问题。关于无碰撞冲击波更为详尽的介绍，可以参考文献。
4磁重联
磁重联是指在具有有限浊度率的磁等离子体中，电压片中的磁力线自发或被迫断掉和重新连接的过程，磁能会忽然释放并转化为等离子体的动能和热能，造成带电粒子的加速或加热(图1)。磁重联是宇宙中普遍存在的一种能量转换机制。
图1磁重联过程示意图
太阳内部频繁地进行着磁重联过程，磁重联又会导致多种常见的太阳活动现象，如太阳日冕。太阳日冕是太阳表面忽然出现、迅速发展的闪亮亮斑，其中伴随着巨大的能量释放，大量的粒子在此过程中被加速。太阳日冕形成的高能粒子和宇宙射线与月球大气分子发生剧烈碰撞时，会破坏电离层，干扰无线电通讯，甚至可能造成无线电通讯的中断；高能带电粒子同时会干扰月球磁场天体物理学研究什么，诱发耀斑。所以，对太阳日冕的研究除了具有重要的科研意义，并且对人们的生产生活、灾难防治、航空航天等都有重要的实际应用价值。
月球周围的日地空间同样发生着磁重联过程。在经度接近地磁体的地区上空，经常出现多彩艳丽的极光现象。极光是由高能粒子步入月球高层大气时，碰撞大气原子、分子并使其迸发、发光而产生的。这些高能粒子正是源自于月球磁尾处的磁重联。太阳风是从太阳表面射向宇宙空间的磁化等离子体，上面包含着大量的电子和离子。当太阳风撞击到月球后，受太阳风作用，地磁场的拓扑结构会发生例如拉伸、压缩等改变(图2)。畸变的磁场在月球磁尾处产生电压片，发生磁重联(图2中红框区域)。磁重联加速的高能粒子一部份向月球运动，在两极附近步入大气层，诱发艳丽的极光。
图2月球附近的磁场分布
我们借助国外的“神光II”激光装置，对太阳日冕和日地空间的磁重联现象进行了比较深入的实验研究。当高硬度激光照射到固体靶时，在等离子体中可自发形成螺旋形百特斯拉磁场。该磁场被“冻结”在等离子体表面附近。借助两束强激光打在同一靶面上两个相仿的点，随两个等离子体的膨胀，在两靶向中间区域，反向的磁力线将互相紧靠、发生重联。我们用此方法模拟了太阳日冕的磁重联过程，首次在实验中观测到磁重联的重要标志之一——环顶X射线源。实验结果如图3所示，图3(a)是太阳日冕磁重联的天文观测结果；图3(b)是实验中借助针眼单反检测得到的靶面X光像，其中，两个红色亮斑为激光打靶向，白线勾勒出了自生磁场的几何结构，白色箭头标明的是磁重联形成的喷流的运动方向。向上运动的喷流撞击到下方铜靶(拿来模拟太阳表面等离子体)，铜靶被加热后辐射出X射线，产生X射线源。对比图3(a)和(b)，可以发觉天文观测和实验结果非常吻合。该实验验证了天文学中关于太阳日冕磁重联过程的推论，同时证明了借助强激光进行磁重联实验研究的可行性。《自然中国》评价该实验为“实验台上的太阳日冕(bench-topsolar)”。
图3天文观测和实验结果的对比(a)太阳日冕环的天文观测结果；(b)实验所测靶面X射线成像
此后，我们采用两个分离靶取代单个平面靶，对磁重联过程进行了进一步研究。图4是实验得到的干涉图、自发光成像和PIC理论模拟结果的对比。从图4中可以见到，在重联区域的下方产生了三个喷流，分别坐落重联中心和两边，而且中心的喷流速率显著更快。借助实验结果计算出的中心喷流速率高达600km/s。实验中还观测到磁重联区形成了向外运动的“磁岛”，磁岛的快速运动改变了重联的磁场结构，造成了二阶电压片和日冕环的形成。
图4光学成像和理论模拟(a)和(b)对应不同时刻的干涉成像；(c)等离子体自发光成像；(d)PIC理论模拟结果；(e)轮廓示意图
近来，我们又对太阳风和金星互相作用过程进行了实验研究。金星作为太阳系八大行星之一，它的直径等宏观参数和月球类似，被称为月球的“姊妹星”。虽然从天文观测数据来看，金星表面气候参数和月球气候参数有着很大差别，而且科学家们猜测，金星内部构造可能与月球非常相仿。从上世纪60年代以来，人们对金星的天文侦测未曾间断过，发送或路过金星的侦测器早已超过40个。金星又是太阳系中惟一没有固有磁场的行星。同月球一样，金星也遭到太阳风的强烈作用。实验中，我们借助激光照射平面靶，用靶反面“推出”的大规格、高速率等离子团来取代“太阳风”，进行“太阳风和金星互相作用”模拟实验。实验中观测到了与金星磁尾类似的等离子体结构。相关的理论模拟工作还在进行中。
5喷流
天体中的喷流是天体喷吐的低矮、准直、高速、定向物质流，例如—Haro恒星的双对称结构喷流(图5)。喷流宽度在1017—范围内，随着恒星的不同而不等；流速达到几百公里每秒，是介质波速的10倍以上。喷流作为基本的天体结构，它的形成、准直、碰撞、偏折等机制仍然是天体化学中的重要研究问题。
图5HH212天体喷流的H2自发发光像
借助强激光形成的喷流，根据激光打靶形式分为靶前喷流和靶后喷流(激光照射面为靶前)。相对于靶后喷流而言，靶前喷流通常气温较高、密度较低、速度较快。在靶后喷流的实验中，通过在喷流传播路径放置不同介质，可以便捷地研究介质对喷流的影响。目前，人们研究较多的是靶前喷流，如文献中，LiC.K.采用多束激光照射平行放置的两个平面靶内表面，产生相向运动的两束喷流，研究了高马赫数喷流的碰撞偏折问题。
对于喷流的形成机制主要有两种观点：纯流体模型和磁流体模型。目前，磁流体模型普遍为人们所接受。在磁流体模型中，吸积盘周围的等离子体受磁场作用步入吸积盘中心，并在磁场作用下完成角动量向轴向双极动量转化的过程。近来，等人借助四个线圈形成方向如图6(a)、强度0.2MG的磁场，通过光学成像侦测喷流的内部结构，并进行了相关的磁流体热学模拟。结果证明了角向磁场对等离子体准直的影响，阐明了年青星系(YSOs)中双极喷流的产生过程。喷流研究成果还有好多，具体可参考文献。
图6借助磁场对喷流进行准直的实验结果(a)喷流产生机制示意图；(b)20ns延后时喷流整体等离子体密度分布；(c)和(d)分别为有磁场和无磁场情况下喷流局部等离子体密度分布；(e)实线处密度分布曲线；(f)靶和磁场分布
6强悍磁场形成
磁场广泛弥漫于宇宙环境中，大多数天体过程就会遭到磁场的影响。但是，实验室对磁场环境下天体化学的研究却面临好多困难，其中首要的是强磁场的形成。宇宙中的许多天体都是极强的磁极，如中子星，它的磁场硬度是月球磁场硬度的100万亿倍(地磁场硬度约为5×10-5T)。虽然星际间的磁场硬度很弱(如月球附近太阳风磁场约为10-9T)，并且经过磁流体热学定标变换，要在实验室模拟类似的化学环境，仍须要几十甚至几百特斯拉的强磁场。较强的铁磁材料，表面磁场硬度仅有零点几特斯拉；传统的电磁铁线圈形成的稳恒磁场，场强只能达到几特斯拉；脉冲强磁场的硬度，最强也不过上百特斯拉。无论是稳恒吸铁石线圈还是脉冲线圈，进一步增强磁场硬度都面临着巨大困难，并且对实验布局和材料提出了严苛的要求。例如，稳恒电磁铁的容积特别大，无法放到强激光实验的真空靶室外；在高硬度电压状态下，脉冲线圈的金属丝极易凝固。2012年，等人借助强激光照射电容线圈靶，得到了千特斯拉量级的强悍磁场。她们的实验靶型如图7所示，强激光从环状极板中间的小孔穿过，打在前面的圆盘极板上，激光加速的超热电子飞离圆盘极板，迅速抵达后面的环型极板，因而在两极板和螺旋导线间产生了电压回路，并在螺旋导线处诱发千特斯拉磁场。近来，我们采用更为简单的线圈靶型，在神光II激光装置上，得到了约600T的强磁场。同时在实验中研究了场强和激光的关系，通过改变激光参数可以实现对磁场硬度的控制。这些简单的靶设计，无论从靶制备，还是与其他实验的结合应用，都愈发方便。
图7电容靶图(a)侧面；(b)正面
这些近千特斯拉的强悍磁场除了在实验室天体化学中有重要应用，还可以作为一种强有力的调控手段，应用到汇聚态等化学其他领域。
7推论和展望
以上简略介绍了实验室天体化学学的基本思想和一些问题的新进展。其实实验室天体化学的发展时间不长，而且相关研究成果证明了其可行性，并取得了一批重要成果。但是，实验室天体化学还是相对年青的学科，好多的重要问题急待探求，实验技术和理论模拟能力也须要进一步发展。
本文介绍的研究进展都属于非相对论情况，实验所用激光装置为毫秒、高功率小型激光装置。上世纪80年代，Morou发明了啁啾激光脉冲放大技术，将激光占空比压缩到了皮秒尺度，相应的激光光强提升了几个量级，可达到1020W/cm2以上。当激光硬度小于1018W/cm2时，电子在电场中的振荡速率接近光速，激光和等离子体作用会呈现显著的相对论效应。天体中好多现象都是相对论性的，超短强悍激光为举办相对论实验室天体化学研究提供了有力手段。在相对论范畴，无论是无碰撞冲击波，还是喷流等都将与上面非相对论情况有很大不同。借助超短超强激光还可以开拓新的实验室天体化学研究方向，比如相对论电子的加速和幅射问题、宇宙射线的相对论加速机制、极强宇宙磁极的模拟研究以及相对论极端条件下的其他天体过程。实际上，国外外好多研究组都拥有这些超短强悍激光装置。我们相信，这一新趋势会越来越导致你们的研究兴趣。
致谢文中部分成果是与中国工程数学研究院激光聚变研究中心、中国科大学北京光学精密机械研究所高功率激光化学联合实验室、上海激光等离子体研究所、北京应用化学与估算物理研究所、北京学院、中国科学技术学院、大阪学院激光工程研究所、韩国原子能研究所量子光学实验室等相关研究人员合作完成的，在此一并表示谢谢。另外作者还谢谢神光II激光装置全体运行人员的大力支持。
本文选自《物理》2016年第2期
