研究發現輻射主導磁重聯中的自旋凝聚等離子體

磁重聯是等離子體中磁能快速釋放和粒子加熱加速的關鍵過程，廣泛存在于太陽耀斑、地球磁尾、黑洞噴流、伽馬暴乃至聚變裝置等多種等離子體環境中。當磁場強度達到極端水平時，電子在重聯過程中將進入輻射主導區域，此時輻射阻尼、光子輻射及粒子自旋動力學等因素成為重要機制。然而，在這類極端磁重聯環境中，等離子體將如何演化、自旋如何響應、輻射信號呈現出怎樣的觀測特征，仍是等離子體物理與高能天體物理交叉研究中的前沿科學問題。

近日，中國科學院理論物理研究所副研究員弓正與德國馬克斯-普朗克核物理研究所科研人員合作，在極端強場磁重聯研究方面取得進展。該研究基于包含輻射反作用、自旋動力學及量子輻射偏振效應的粒子模擬系統，在輻射主導的磁重聯中發現了一種新結構——自旋極化凝聚等離子體。研究發現，在這一過程中，電子在相空間中迅速收縮至一個由輻射阻尼誘導形成的“螺旋吸引子”不動點，形成多個微小且高密度的等離子團粒，并實現了自旋方向與局域磁場方向平行的準同步極化。

這一凝聚結構表現出高于傳統等離子體團粒的密度壓縮率，同時，電子輻射出的高能伽馬光子呈現出一種異常的線性偏振狀態，其偏振方向垂直于電子的運動平面。這一現象偏離了經典同步輻射模型預期，表明自旋翻轉在輻射過程中對角動量轉換具有關鍵作用，進而引發了輻射偏振方向的重新分布。這一發現為解釋磁星、蟹狀星云等高能天體觀測中出現的異常伽馬射線偏振信號提供了新的理論支撐。