Wissenschaftler des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums haben einen Prozess in den wirbelnden Plasmastrukturen um Schwarze Löcher und Neutronensterne aufgedeckt, der bislang ungeklärte Licht- und Wärmeemissionen verursachen kann. Der Prozess wird als magnetische Rekonnexion bezeichnet und erzeugt auch große Plasmawolken, die Milliarden Kilometer lang sind. Diese Ergebnisse können das grundlegende Wissen über fundamentale astrophysikalische Prozesse im Universum erweitern.
Plasma ist der vierte Materiezustand und besteht aus freien Elektronen und Atomkernen (Ionen) und macht etwa 99 Prozent des sichtbaren Universums aus. Neben der Untersuchung der astrophysikalischen Eigenschaften von Plasma erforschen Wissenschaftler auch, wie sie Plasma mit donutförmigen Geräten (sogenannten Tokamaks) begrenzen können, um Fusionsreaktionen aufrechtzuerhalten, welche den Energieausstoß der Sonne und der Sterne produzieren. Die Nachbildung der Kernfusion auf der Erde könnte eine sprichwörtlich unerschöpfliche Energiequelle zur Stromerzeugung darstellen.
Die Rekonnexion tritt auf, wenn sich magnetische Feldlinien plötzlich trennen und neu verbinden, wobei Energie freigesetzt wird. Der Prozess interessiert Wissenschaftler, weil er im gesamten Universum stattzufinden scheint, von Plasmastrukturen, die mehrere Lichtjahre groß sind, bis hin zu Experimenten im Labor.
Die Forscher nutzten ein neues Modell und bereits zuvor gesammelte Daten, um festzustellen, dass sogenannte Magnetorotationsinstabilitäten Magnetfelder zusammenzwingen. Die resultierende Rekonnexion innerhalb der Akkretionsscheiben setzt die beobachteten Licht- und Wärmeemissionen frei.
“Diese Rekonnexionsprozesse der Akkretionsscheibe sind etwas Neues in der Welt der Plasmaphysik”, sagte die Physikerin Fatima Ebrahimi vom PPPL, eine Co-Autorin der Studie in den Astrophysical Journal Letters. “Die numerischen Daten waren eine sehr lange Zeit dort und endlich haben wir uns einen Reim darauf gemacht.”
Die neuen Computersimulationen zeigten Plasma detaillierter als jemals zuvor. Andere Modelle simulieren nur kleine Bereiche des Plasmas und setzen voraus, dass die Ergebnisse auf den Rest des Plasmas zutreffen. “Das gibt eine Richtung, aber es repräsentiert nicht Alles”, sagte Ebrahimi. “Solche Experimente zeigen nicht das gesamte Plasmaverhalten während der Rekonnexion. Die hochwertigere Simulation in dieser Studie offenbarte dagegen mehr Zwischenschritte.”
Der Hauptautor der Studie war Jarrett Rosenberg, ein Physikstudent am Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), der im Frühjahr 2021 am Student Undergraduate Laboratory Internship (SULI) des PPPL teilnahm. Für Rosenberg waren die Experimente eine Art Feuerprobe. “Für mich war das neues Terrain”, sagte er. “Ich hatte keine Plasmaphysik studiert und noch nie eine Studie geschrieben. Aber ich war aufgeregt, meinen Fuß in diese Welt zu setzen.”
In Zukunft plant Ebrahimi zu erforschen, wie die Magnetorotationsinstabilität die Turbulenzen der Akkretionsscheibe beeinflusst – das sind Störungen in dem Plasma, die sich darauf auswirken können, wie sich Licht, Wärme und Bewegungen durch die Scheibe ausbreiten. “Wir hoffen umfangreichere Simulationen durchführen zu können und ein besseres Wissen darüber zu erlangen, was genau in jedem Schritt passiert”, sagte Ebrahimi. “Auf diese Weise lernt man neue Physik und wenn später kompliziertere Dinge passieren, weiß man warum.”
(THK)
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