激光探测星系团热量传输

炽热、湍急、稀薄的等离子体充满了横跨宇宙大片区域的巨大星系团，但科学家们还不知道这些区域是如何保持它们的热量的。近日，一个国际研究团队使用了世界上最强大的激光设备来重现这些星系团内部的极端条件。该团队包括了来自美国芝加哥大学、罗切斯特大学、普林斯顿大学和斯坦福大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室以及英国、法国、德国和韩国的研究人员。

研究人员们通过在美国国家点火装置(NIF)的焦点上产生一个小但湍急的等离子体场，发现等离子体内部的热传输比预期的要少得多。他们还发现，等离子体内的电子沿着缠绕在一起的磁场线盘旋而行，而不是相互碰撞，因此热量持续存在而不会逸出。

天体物理探索条件

虽然氢聚变点火是NIF的主要目标，但据NIF所在的劳伦斯利弗莫尔国家实验室网站称，天体物理学家也可以利用该激光系统进行一些实验，以探索存在于恒星和其他天体中的等离子体物理。NIF拥有192个强大的磷酸盐玻璃激光器，当它们一起发射时，能产生集中在微小目标上的高达2兆焦耳的能量。然而，据星系团实验的主要研究人员称，等离子体复制只需要略多于NIF激光武器库一半的能量。这是因为NIF设计初衷是利用所有192条光束进行聚变实验，但是他们的实验使用了不同的目标方向，所以并不是所有的光束都能清楚地照射到他们的目标。

发生等离子体作用的装置由两个由塑料网格连接的薄片和一个充气的气囊组成。研究人员用96个三倍频的351纳米激光束照射这两个圆盘。网格线间隔300微米，则在气囊内产生湍流。用氘和氦- 3的混合气体充填气囊后，研究人员们用60个三倍频激光束对其进行照射，在短短900ps内提供了大约43千焦耳。另外四束激光作为光学汤姆逊散射探针，测量短暂产生的等离子体内的平均电子密度。(在一些实验中，该团队用一个后向散射系统取代了这个探测器，该系统测量了这四束光的反射光，以量化等离子体中的湍流速度。)

无碰撞，热传导少

虽然研究人员以前使用过美国罗切斯特大学的OMEGA激光设备，但这次他们表示，他们需要NIF提供的能量来产生大的电子速度，从而在等离子体中产生强湍流和磁场。研究人员们使用了来自罗切斯特大学的计算软件包FLASH来设计实验结构并解释实验结果。

尽管星系团和直径为860 μm的气囊在大小上存在巨大差异，但研究人员相信两者的微物理性质是相似的。这是因为他们考量的重要因素是碰撞平均自由路径与拉莫尔半径的比值，前者是两次碰撞之间的距离，后者是电子绕着磁场线运行的圆形轨道。在星系团和NIF中心实验室，这个比值都很大，这意味着电子绕着场线运动而不碰撞。因为电子不碰撞，它们也不能很好地传导热量。

据研究人员说，自2010年NIF开放以来，该团队一直在进行这些实验。除了实验上的困难，每一个数值模拟都需要几个月的时间来进行。他们的团队希望能在NIF进行更多的实验，以尝试了解宇宙射线等高能粒子在高温、弥散等离子体中的表现。

左图：部署在国家点火设施（NIF）的等离子体发生装置。

右图。实验中产生的湍流等离子体的X射线图像，拍摄于激光器发射后的28 ns。