Sonneneruptionen: Was bringt die Teilchen auf Trab?

  • 29. November 2017

Lasergenerierte Plasmen gewähren Einblicke in astrophysikalische Gegebenheiten.

Schon lange beobachten Physiker, dass geladene Teilchen wie Elektronen und Atomkerne im Weltall auf extreme Geschwindigkeiten beschleunigt werden können. Die Forscher führen dies auf die Anwesenheit von Plasmen zurück. Einige Modelle spezifizieren das Phänomen der magnetischen Rekonnexion – also die abrupte Strukturänderung eines Magnetfeldes – als Ursache für diese enormen Teilchenbeschleunigungen.

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Abb.: Den hohen Teilchenbeschleunigungen im Weltall auf der Spur: William Fox will das Ergebnis von Simulationsmessungen nun experimentell überprüfen. (Bild: PPPL)

Genaue Aufschlüsse über diese Vorgänge sollen nach Vorstellungen von Wissen­schaftlern des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) lasererzeugte Plasmen liefern, mit deren Hilfe die astrophysikalischen Verhältnisse im Labor kontrolliert und reproduzierbar nachgestellt werden können. Dies ist das Ergebnis umfangreicher Simulationen, die auf dem Titan-Superrechner der Oak Ridge Leadership Computing Facility ausgeführt wurden.

Wie das Team um William Fox in der Zeitschrift Physics of Plasmas beschreibt, wurde zunächst ein auf dem Plasma Simulation Code (PSC) basierendes Programm eingesetzt, um die Bahnen der Teilchen in virtuellen magnetischen und elektrischen Feldern zu verfolgen. Fox entwickelte den ursprünglich aus Deutschland stammenden Code mit Kollegen an der Universität von New Hampshire weiter, bevor er zum PPPL stieß.

In den neuen Simulationen wallen solche lasergenerierten Plasmen nach außen auf und prallen gegeneinander. Dadurch erzeugen sie in Randbereichen magnetische Rekon­nexionen, die auf zwei Arten Energie auf die Teilchen übertragen können. Bei der so­ge­nann­ten Fermi-Beschleunigung gewinnen die Teilchen Energie während sie zwischen den äußeren Rändern zweier zusammentreffender Plasmablasen hin und her prallen. Bei der X-line-Beschleunigung läuft der Energieübertrag auf die Teilchen ab, während sie mit dem bei der Rekonnexion entstehenden elektrischen Feld interagieren.

Fox und sein Team wollen nun entsprechende Laborexperimente am OMEGA-Laserlabor der Universität Rochester und an der National Ignition Facility des Lawrence Livermore National Laboratory durchführen. „Wir sind gespannt, ob wir die hohe Beschleunigung der Teilchen auf diese Weise hervorrufen und experimentell bestimmen können,“ erklärt Fox mit Blick auf die anstehenden Experimente.

PPPL / LK

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