Es ist schwierig, gleichzeitig mikro- und makroskopische Informationen im Universum zu sammeln. Bilder von fernen astrophysikalischen Phänomenen liefern makroskopische Informationen. Lokale Informationen sind dagegen nicht zugänglich. Im Gegensatz dazu liefern Beobachtungen mit Raumsonden vor Ort mikroskopische Informationen von Phänomenen wie der Erdmagnetosphäre, aber es ist schwierig, globale Informationen im nahen Weltraum zu bekommen.
Bei der sogenannten “Labor-Astrophysik”, einem relativ neuen Gebiet, das an der Osaka University entstand und das weltweit angenommen und weiterentwickelt wird, werden astrophysikalische Phänomene experimentell untersucht.
Eine Forschungsgruppe unter Leitung von Yasuhiro Kuramitsu von der Osaka University hat Experimente mit der Gekko XII Laser Facility am Institute of Laser Engineering der Osaka University durchgeführt. Die Experimente offenbarten erstmals eine von der Elekronendynamik angetriebene magnetische Rekonnexion in laserproduziertem Plasma. Magnetische Rekonnexion ist ein entscheidender Faktor im Universum, wobei sich die antiparallelen Komponenten der Magnetfelder neu verbinden und magnetische Energie in Form von kinetischer Energie des Plasmas freisetzen. Man vermutet, dass die Dynamik von Elektronen eine grundlegende Rolle beim Auslösen der magnetischen Rekonnexion spielt. Allerdings war es äußerst anspruchsvoll, im Weltraum gleichzeitig mikroskopische Informationen wie den Elektronenmaßstab und die makroskopische Rekonnexionsstruktur zu beobachten.
Die Forschungsgruppe setzte das laserproduzierte Plasma einem schwachen Magnetfeld aus, so dass nur Elektronen direkt mit dem Magnetfeld verbunden waren. Das Plasma wurde mittels Interferometrie nur dann beobachtet, wenn das Magnetfeld aktiv war. Das heißt, dass das Magnetfeld durch den Plasmadruck verzerrt wurde und lokal antiparallel war. Nach dem Aufbau von externem Druck mittels umgebendem Plasma wurde auf den Bildern der Plasmaemissionen ein Plasmoid beobachtet, der mit spitzenähnlichen Strukturen zusammenhing. Der Plasmoid breitete sich mit der Alfvén-Geschwindigkeit gemäß der Elektronenmasse aus. Das lässt darauf schließen, dass die magnetische Rekonnexion von der Dynamik der Elektronen angestoßen wird.
Die Ergebnisse dieser Forschung werden Licht auf die Rolle von Elektronen in Labor-Plasmen werfen. Weil die räumlichen und zeitlichen Größenordnungen von Elektronen viel kleiner sind als jene von Ionen, ist es sehr anspruchsvoll, Phänomene in dem Maßstab aufzulösen, während man deren globalen Strukturen abbildet. Das ist auch im Weltall der Fall, wo es schwierig ist, gleichzeitig mikroskopische und makroskopische Informationen zu erhalten. Bei dieser Studie wird die Stärke des Magnetfeldes allein deshalb kontrolliert, um nur Elektronen eine Verbindung mit dem Magnetfeld zu erlauben.
Das ist eine einzigartige und leistungsfähige Eigenschaft von Laborexperimenten, deshalb kann die Labor-Astrophysik ein alternatives Hilfsmittel für die Erforschung des Weltraums und von astrophysikalischen Phänomenen sein. Die Rollen der Elektronendynamik sind nicht nur wichtig für die magnetische Rekonnexion, sondern auch für verschiedene Phänomene im Universum und im Labor, beispielsweise Fusionsplasma. Mehr über das Universum zu erfahren, wird in der Zukunft zu neuen Technologien führen.
(THK)
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