Die Wissenschaft
Plasma ist Materie, die so heiß ist, dass die Elektronen von den Atomen getrennt werden. Die Elektronen werden frei und die Atome werden zu Ionen. Das erschafft ein ionisiertes Gas – ein Plasma –, aus dem fast das gesamte sichtbare Universum besteht.
Kürzliche Studien zeigen, dass Magnetfelder in einem Plasma spontan entstehen können. Das kann passieren, wenn das Plasma eine Temperaturanisotropie besitzt – das heißt, wenn die Temperatur sich in verschiedenen räumlichen Richtungen unterscheidet. Dieser Mechanismus wird als Weibel-Instabilität bezeichnet. Sie wurde vor mehr als 60 Jahren von dem Plasmatheoretiker Eric Weibel vorhergesagt, aber erst jetzt zweifelsfrei im Labor beobachtet.
Die neue Studie ergab, dass dieser Prozess einen beträchtlichen Anteil der in der Temperaturanisotropie gespeicherten Energie in Magnetfeldenergie umwandeln kann. Die Studie zeigt auch, dass die Weibel-Instabilität eine Quelle von Magnetfeldern sein könnte, die das Universum durchziehen.
Die Auswirkungen
Die Materie in unserem beobachtbaren Universum ist [größtenteils] magnetisiertes Plasma. Magnetfelder im Mikrogaußbereich (etwa ein Millionstel der irdischen Magnetfeldstärke) durchziehen die Galaxien. Man vermutet, dass diese Magnetfelder durch schwache „Keim-Magnetfelder“ verstärkt werden, die aus der Spiralrotation der Galaxien hervorgehen, was als galaktischer Dynamo bezeichnet wird. Die Entstehungsweise dieser Keim-Magnetfelder ist jedoch eine lange bestehende Frage in der Astrophysik.
Diese neue Studie bietet eine mögliche Lösung für dieses Problem des Ursprungs von Keim-Magnetfeldern im Mikrogaußbereich. Die Studie verwendete eine neue Plattform, die großes Potenzial für die Untersuchung der ultraschnellen Dynamiken von Magnetfeldern in Labor-Plasmen hat, und relevant für Astro- und Hochenergiedichtephysik ist.
Zusammenfassung
Erstmals vor sechs Jahrzehnten propagiert, vermutet man, dass die durch Temperaturanisotropie angetriebene Weibel-Instabilität ein wichtiger Mechanismus für die Selbstmagnetisierung vieler astrophysikalischer und Laborplasmen ist. Die Wissenschaftler sahen sich allerdings zwei Herausforderungen bei der zweifelsfreien Demonstration der Weibel-Instabilität gegenüber: Erstens waren sie bis vor kurzer Zeit nicht in der Lage, ein Plasma mit einer bekannten Temperaturanisotropie zu erzeugen, wie es von Weibel anfangs propagiert wurde. Zweitens besaßen die Forscher keine geeignete Technik, um die komplexe und sich rasch entwickelnde Topologie der Magnetfelder zu messen, die danach in dem Plasma erzeugt werden.
Diese Studie wurde durch die einzigartige Fähigkeit der Accelerator Test Facility ermöglicht, einer Einrichtung des US-Verteidigungsministeriums am Brookhaven National Laboratory. Sie verwendet eine neue experimentelle Plattform, die den Forschern erlaubte, ein Wasserstoffplasma mit einer bekannten hochgradig anisotropen Elektronengeschwindigkeitsverteilung im Bereich von einigen Billionstel Sekunden zu erschaffen, wofür ein ultrakurzer aber starker Kohlenstoffdioxidlaserpuls zum Einsatz kam. Die nachfolgende Thermalisierung des Plasmas tritt durch Selbstorganisation von Plasmaströmen auf, die magnetische Felder produzieren, welche durch die Weibel-Instabilität angetrieben werden.
Diese Felder sind groß genug, um relativistische Elektronen abzulenken und ein Bild der Magnetfelder in einer bestimmten Entfernung zu dem Plasma zu zeigen. Unter Verwendung eines relativistischen Picosekunden-Elektronenstrahls zur Messung dieser Felder nahmen die Wissenschaftler ein Video von der Entwicklung dieser Magnetfelder mit ausgezeichneter räumlicher und zeitlicher Auflösung auf.
(THK)
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