Wachsende Magnetfelder im Weltraum: Schütteln Sie einfach das Plasma.

Im Gegensatz zu dem, was viele Menschen glauben, ist der Raum nicht leer. Neben einer elektrisch geladenen Suppe aus Ionen und Elektronen, dem sogenannten Plasma, durchdringen Magnetfelder unterschiedlicher Stärke den Raum. Astrophysiker fragen sich seit langem, wie diese Felder produziert, gepflegt und vergrößert werden. Jetzt haben Wissenschaftler des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des U.S. Department of Energy (DOE) gezeigt, dass Plasmaturbulenzen verantwortlich sein könnten, was eine mögliche Antwort auf eines der wichtigsten ungelösten Probleme in der Plasmaastrophysik ist.

Mit leistungsstarken Computern am Princeton Institute for Computational Science and Engineering (PICSciE) und am National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) am Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE simulierten die Forscher, wie Turbulenzen Magnetfelder durch den sogenannten Dynamoeffekt verstärken könnten, bei dem die Magnetfelder durch Rotation und Rotation der Magnetfeldlinien stärker werden. „Diese Arbeit ist ein wichtiger Schritt, um zum ersten Mal die Frage zu beantworten, ob Turbulenzen Magnetfelder zu dynamischen Stärken in einem heiß verdünnten Plasma verstärken können, wie sie in Galaxienhaufen vorkommen“, sagt Matthew Kunz, Professor für Astrophysik an der Princeton University und Autor der in The Astrophysical Journal Letters veröffentlichten Arbeit.

Die bisherige Forschung hat sich auf Dynamos konzentriert, wie sie in sogenannten kollisionsförmigen Plasmen auftreten können, in denen sich Partikel kollektiv wie eine Flüssigkeit verhalten. Intergalaktische Plasmen sind jedoch kollisionsfrei, so dass frühere Experimente nicht unbedingt relevant sind. Diese neue Forschung soll diese Lücke schließen. „Wir wollten sehen, wie sich der Dynamo in einem kollisionsfreien System verhalten würde“, sagte Denis St-Onge, Doktorand am Princeton Program in Plasma Physics bei PPPL und Hauptautor der Arbeit.

St-Onge und Kunz konzentrierten sich auf die Art und Weise, wie die Geschwindigkeiten und Magnetfelder der einzelnen Partikel im kollisionsfreien Plasma direkt miteinander verbunden sind. Diese Verbindung – wenn eine Größe erhöht oder verringert wird, muss auch die andere die Existenz eines Dynamos ausschließen. „Wenn das die ganze Geschichte wäre, wäre es verheerend für den Dynamo“, sagte St-Onge. „Um dem, was wir im Weltraum beobachten, gerecht zu werden, müsste der Dynamo die Stärke des Saatgut-Magnetfeldes um mindestens den Faktor einer Billion erhöhen, aber auch die Energie der Partikel müsste zunehmen, und dafür steht im Dynamo einfach nicht genügend Energie zur Verfügung.“

Um die Stärke der im Weltraum beobachteten Magnetfelder zu erzeugen, muss die Verbindung, die die Teilchenenergie an den Magnetismus bindet, durchtrennt werden. Genau die St-Onge und Kunz, die in den Computersimulationen beobachtet wurden: Diese Art von Plasmaturbulenzen, die als Spiegel- und Feuerwehrinstabilitäten bekannt sind, führten zur Streuung der Plasmapartikel, und die Streuung unterbrach die Verbindung zwischen Teilchenenergie und Magnetismus und brachte die Amplituden der Magnetfelder näher an das heran, was in der Natur beobachtet wird.

Die zukünftige Forschung, so St-Onge, wird sich darauf konzentrieren, warum diese turbulente Dispersion auftritt. „Darüber hinaus möchten wir die Besonderheiten der Partikelstreuung untersuchen“, sagt St-Onge. „Wie genau bewirken die Instabilitäten, dass sich die Partikel streuen, wie oft tritt die Streuung auf, und kann die Streuung zu einem plötzlichen, dramatischen Wachstum eines Magnetfeldes führen? Die endgültige Idee ist ein Konzept, das vor Jahren von PPPL-Direktor Steven Cowley vorgeschlagen wurde. Wir möchten untersuchen, ob das wahr ist.“

Mehr Informationen:
Denis A. St-Onge et al, Fluktuationsdynamo in einem kollisionslosen, schwach magnetisierten Plasma, The Astrophysical Journal (2018). DOI: 10.3847/2041-8213/aad638

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