Physiker bilden relativistische magnetische Rekonnexion im Labor nach

Der LFEX-Petawatt-Laser am Institute of Laser Engineering an der Osaka University. (Credits: Osaka University)
Der LFEX-Petawatt-Laser am Institute of Laser Engineering an der Osaka University. (Credits: Osaka University)

Forscher des Institute of Laser Engineering an der Osaka University haben erfolgreich einen kurzen aber extrem starken Laserpuls verwendet, um eine magnetische Rekonnexion innerhalb eines Plasmas zu erzeugen. Diese Arbeit könnte zu einer vollständigeren Theorie über die Röntgenemissionen von astronomischen Objekten wie Schwarzen Löchern führen.

Materie, die von einem Schwarzen Loch angezogen wird, ist nicht nur extremen Gravitationskräften ausgesetzt, sondern kann auch von intensiver Hitze und Magnetfeldern ausgesetzt sein. Plasma, ein vierter Materiezustand und heißer als Feststoffe, Gase oder Flüssigkeiten, besteht aus elektrisch geladenen Protonen und Elektronen, die zu viel Energie besitzen, um neutrale Atome zu bilden. Sie bewegen sie sich unter dem Einfluss von Magnetfeldern.

Die magnetische Rekonnexion bezeichnet einen Prozess, bei dem sich verdrehte, magnetische Feldlinien innerhalb eines Plasmas plötzlich entspannen und gegenseitig auslöschen. Das resultiert in der schnellen Umwandlung von magnetischer Energie in kinetische Energie von Teilchen. In Sternen (unsere Sonne eingeschlossen) ist die Rekonnexion für einen Großteil der koronalen Aktivität verantwortlich, beispielsweise Sonneneruptionen. Aufgrund der starken Beschleunigung emittieren die geladenen Teilchen in der Akkretionsscheibe eines Schwarzen Lochs ihr eigenes Licht, üblicherweise im Röntgenbereich des elektromagnetischen Spektrums.

Um den Prozess besser zu verstehen, der die bei Schwarzen Löchern beobachtete Röntgenstrahlung erzeugt, nutzten Wissenschaftler der Osaka University starke Laserpulse für die Erschaffung ähnlich extremer Bedingungen im Labor. „Wir konnten die hochenergetische Beschleunigung von Elektronen und Protonen infolge der relativistischen magnetischen Rekonnexion untersuchen“, sagte der Senior-Autor Shinsuke Fujioka. „Zum Beispiel kann der Ursprung der Emissionen des berühmten Schwarzen Lochs Cygnus X-1 besser verstanden werden.“

Dieses Level an Lichtintensität ist allerdings nicht leicht zu erreichen. Für einen kurzen Moment erforderte der Laser zwei Petawatt Energie, was dem 1000-fachen des elektrischen Energieverbrauchs der ganzen Welt entspricht. Mit dem LFEX-Laser war das Team in der Lage, Spitzenmagnetfeldstärken von 2.000 Tesla zu erreichen. Zum Vergleich: das von einem MRI-Gerät für Diagnosebilder erzeugte Magnetfeld liegt typischerweise bei rund drei Tesla, und das Erdmagnetfeld ist nur 0,00005 Tesla stark. Die Plasmateilchen werden so enorm beschleunigt, dass relativistische Effekte berücksichtigt werden müssen.

„Bisher konnte die relativistische magnetische Rekonnexion nur mittels numerischer Simulationen auf einem Supercomputer untersucht werden. Jetzt ist es ein reales Experiment in einem Labor mit starken Lasern“, sagte der Erstautor King Fai Farley Law. Die Forscher denken, dass dieses Projekt helfen wird, die astrophysikalischen Prozesse zu entschlüsseln, die an Orten im Universum stattfinden, wo extreme Magnetfelder herrschen.

Abhandlung: „Relativistic magnetic reconnection in laser laboratory for testing an emission mechanism of hard-state black hole system“ von Law et al.

Quelle

(THK)

Werbung

Ersten Kommentar schreiben

Antworten

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.


*