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相对论无碰撞激波（Relativistic collisionless shocks）在宇宙中普遍存在，对伽马射线暴、PeVatrons 和超新星激波爆发等天体物理现象意义重大。研究人员利用紧凑型飞秒激光系统，在天体物理相关条件下产生了亚相对论无碰撞激波（0.03c）。这为研究相关天体物理现象提供了新平台123。
在浩瀚宇宙中，相对论无碰撞激波就像隐藏在黑暗中的神秘巨兽，虽看不见其全貌，却在各类天体物理现象中发挥着关键作用。它与伽马射线暴、PeVatrons 以及超新星激波爆发紧密相连，然而长期以来，科学家们对其形成机制和动力学特性的了解十分有限。传统研究方法要么依赖于遥远且模糊的天文观测，难以获取详细的物理过程；要么在实验室中，由于技术限制，无法模拟出与宇宙环境相似的极端条件。这就如同在黑暗中摸索，科学家们急切需要一束光来照亮前行的道路。
为了深入探究这一神秘领域，中国科学院上海光学精密机械研究所的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们利用紧凑型飞秒激光系统，尝试在实验室中模拟天体物理相关条件，进而研究亚相对论无碰撞激波的产生及爆发动力学。研究结果意义非凡，他们成功产生了速度为 0.03c 的亚相对论无碰撞激波，并发现激波的形成源于在精确调谐的低密度预等离子体环境中迅速增长的 Weibel 不稳定性（Weibel instability）。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为天体物理研究打开了新的大门。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是采用特定的飞秒激光系统，通过精确控制激光脉冲的时间轮廓，创造出低密度各向同性的预等离子体；二是运用复杂激光干涉测量法（complex laser interferometry）诊断等离子体密度，利用经典法拉第旋转法（classical Faraday rotation method）测量磁场；三是借助粒子模拟（PIC，EPOCH）技术，对等离子体动力学和无碰撞激波的形成进行模拟研究。
结果
- 激波的产生与特性：研究人员借鉴激光发动机的理念，通过激光 - 等离子体相互作用诱导产生高能膨胀等离子体，进而引发无碰撞激波。实验中，定制的激光脉冲可在高足和低足脉冲模式之间精确调节，以实现对预等离子体密度的精准控制。实验观测到由 Weibel 不稳定性介导的无碰撞激波，其速度约为 0.03c，与年轻超新星遗迹的激波速度相近。磁场在约 2.7ps 达到峰值（约 5000T），持续约 5ps，激波形成时间约为 1ps458。
- 磁场的演化：在实验早期，通过 Weibel 不稳定性自组织形成磁管结构，随后磁丝呈现弯曲结构，这是无碰撞激波非线性阶段的先兆。磁场能量谱在 2.7ps - 4.0ps 期间，从ks?8/3演变为ks?2，表明在相互作用过程中存在磁场能量级联现象67。
- 激波爆发动力学：研究人员通过泵浦 - 探测记录追踪膨胀等离子体的前沿位置，发现其符合R(t)=27t3/5的函数关系，与球形激波预期的 2/5 幂律略有差异，这可能是由于激光焦点光斑的有限尺寸导致的。实验还测量了激波前沿的密度跳跃，得到绝热指数γg≈1.5，表明磁场对密度跳跃和无碰撞激波的形成至关重要910。
- 与超新星遗迹的相似性：实验中观测到的激波与超新星遗迹（如 SNRs G1.9 + 0.3）中的激波相似，两者的半径 - 时间关系均近似为R(t)∝t0.6，且无量纲参数（如声波马赫数、阿尔文马赫数和无量纲磁场能量）也具有可比性。这使得实验结果可用于研究与 SNRs G1.9 + 0.3 类似的超新星遗迹的动力学11。
- 激波爆发过程：实验观测到类似于宇宙中激波爆发的现象，在泵浦脉冲照射约 4.0ps 后，激波结构发生灾难性破裂，磁场消失，可能伴随着电磁能量的释放。研究人员还通过简单的灾变模型对激波爆发过程进行了描述1213。
- 预等离子体密度的影响：合适的预等离子体密度对激波形成至关重要，实验中无碰撞激波形成的特定阈值低于0.1nc。当预等离子体密度较高（如0.4nc或0.2nc）时，会出现不同的磁场结构和离子运动轨迹，且无法形成激波14。
结论与讨论
该研究首次获得了由桌面飞秒激光驱动的亚相对论无碰撞激波的明确实验证据，证实了 Weibel 不稳定性在增强磁场和形成相对论无碰撞激波中的重要作用。飞秒激光系统为研究无碰撞激波的形成、传播和爆发提供了一种替代大型激光设施的有效方法，且该实验方案灵活，有望通过提高激光能量来进一步提升无碰撞激波的速度。未来，利用现有拍瓦级飞秒激光设施，有望诱导出磁场高达105?106T、持续时间为皮秒级的相对论无碰撞激波，从而探索类似中子星表面的极端物理现象。这项研究成果不仅为天体物理学研究提供了关键数据和理论支持，也为实验室模拟宇宙环境开辟了新的途径，推动了多学科交叉领域的发展。
