辐射主导磁重联中的自旋凝聚等离子体

　　磁重联是等离子体中磁能快速释放和粒子加热加速的关键过程，广泛存在于太阳耀斑、地球磁尾、黑洞喷流、伽马暴乃至聚变装置等多种等离子体环境中。当磁场强度达到极端水平（约1010G）时，电子在重联过程中将不可避免地进入辐射主导区域，此时辐射阻尼、光子辐射以及粒子自旋动力学等因素均成为不可忽视的核心机制。然而，在这类极端磁重联环境中，等离子体将如何演化、自旋如何响应、辐射信号将呈现出怎样的观测特征，仍是等离子体物理与高能天体物理交叉研究中的一个前沿科学问题。

　　近日，中国科学院理论物理研究所的弓正副研究员与德国马克斯普朗克核物理研究所合作，在极端强场磁重联的研究中取得重要进展。研究团队基于一个包含辐射反作用、自旋动力学及量子辐射偏振效应的粒子模拟系统，首次在辐射主导的磁重联中发现了一种新结构---自旋极化凝聚等离子体(spin-polarized condensed plasmoids)。研究表明，在这一过程中，电子在相空间中迅速收缩至一个由辐射阻尼诱导形成的“螺旋吸引子”不动点，形成多个微小且高密度的等离子团粒，同时实现了自旋方向与局域磁场方向平行的准同步极化。

　　这一凝聚结构不仅表现出远高于传统等离子体团粒的密度压缩率，更引人注目的是，电子辐射出的高能伽马光子呈现出一种异常的线性偏振状态，其偏振方向垂直于电子的运动平面。这一现象显著偏离了经典同步辐射模型的预期，表明自旋翻转在辐射过程中对角动量转换起到了关键作用，进而引发了辐射偏振方向的重新分布。该发现为解释磁星、蟹状星云等高能天体观测中出现的异常伽马射线偏振信号提供了全新的理论支撑。

　　图：磁场和等离子体的空间分布：(a)(b)描绘磁场，(c)(d)展示电子密度。(b)(d)和(a)(c)分别对应有(with)和无(No)辐射反作用(RR)的情况。

　　本项研究发现的自旋极化等离子凝聚结构有望在当前的高功率激光实验中实现。例如，ELI、SULF等装置可通过激光-等离子体相互作用，构造类似的极端磁重联实验平台。此外，该机制也可能广泛存在于磁星磁层、伽马暴射流前沿等宇宙强磁场区域中，其所辐射出的高偏振伽马光子可望被下一代偏振观测任务直接探测。

　　该研究首次将辐射反作用与自旋动力学系统性地引入强辐射磁重联的建模框架，突破了传统等离子体模型中“忽略自旋辐射效应”的近似假设，为高能等离子体辐射过程建模提供了新的理论工具。文中揭示的“自旋极化—辐射偏振”关联机制，也为多信使天体物理中关于高能偏振的观测研究打开了新窗口，有望成为未来解析宇宙磁场结构、粒子加速机制与局域等离子体状态的重要物理手段。

　　该研究成果近日在PRL线上发表。弓正为该论文的第一与通讯作者。合作者包括马普核物理所的Karen Hatsagortsyan研究员(共同通讯作者)和Christoph Keitel教授。研究工作获得国家自然科学基金委员会资助（项目号：12447101），并依托中国科学院理论物理研究所的高性能计算平台完成模拟与数据分析工作。

　　正文链接：

　　https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/c1pk-jmqr