Einleitung
Bei flüchtigen Anfällen schleudert die Sonne gelegentlich gewaltige Energiemengen in den Weltraum. Diese sogenannten Sonneneruptionen dauern nur wenige Minuten und können auf der Erde katastrophale Stromausfälle und blendende Polarlichter auslösen. Aber unsere führenden mathematischen Theorien zur Funktionsweise dieser Fackeln können die Stärke und Geschwindigkeit dessen, was wir beobachten, nicht vorhersagen.
Im Zentrum dieser Ausbrüche steht ein Mechanismus, der magnetische Energie in starke Licht- und Partikelstöße umwandelt. Diese Transformation wird durch einen Prozess namens magnetische Wiederverbindung katalysiert, bei dem kollidierende Magnetfelder aufbrechen und sich sofort neu ausrichten, wodurch Material in den Kosmos geschleudert wird. Neben der Energiegewinnung durch Sonneneruptionen könnte die Wiederverbindung auch die schnelle, energiereiche Teilchen Ausgestoßen von explodierenden Sternen, das Leuchten von Jets aus schlemmenden Schwarzen Löchernund der ständiger Wind Von der Sonne verweht.
Trotz der Allgegenwärtigkeit des Phänomens haben Wissenschaftler Schwierigkeiten zu verstehen, wie es so effizient funktioniert. A jüngste Theorie schlägt vor, dass bei der Lösung der Rätsel der magnetischen Wiederverbindung die winzige Physik eine große Rolle spielt. Insbesondere erklärt es, warum einige Wiederverbindungsereignisse so verblüffend schnell ablaufen – und warum die stärksten scheinbar mit einer charakteristischen Geschwindigkeit ablaufen. Das Verständnis der mikrophysikalischen Details der Wiederverbindung könnte Forschern dabei helfen, bessere Modelle dieser energetischen Eruptionen zu erstellen und kosmische Wutanfälle zu verstehen.
„Bisher ist das die beste Theorie, die ich sehen kann“, sagte er Hantao Ji, ein Plasmaphysiker an der Princeton University, der nicht an der Studie beteiligt war. „Das ist eine große Leistung.“
Mit Flüssigkeiten herumfummeln
Fast alle bekannte Materie im Universum existiert in Form von Plasma, eine feurige Gassuppe, in der höllische Temperaturen Atome in geladene Teilchen zerlegt haben. Während sie umherfliegen, erzeugen diese Partikel Magnetfelder, die dann die Bewegungen der Partikel steuern. Diese chaotische Wechselwirkung ergibt ein Durcheinander magnetischer Feldlinien, die wie Gummibänder immer mehr Energie speichern, wenn sie gedehnt und gedreht werden.
In den 1950er Jahren schlugen Wissenschaftler eine Erklärung dafür vor, wie Plasmen ihre aufgestaute Energie abgeben, ein Prozess, der später als magnetische Wiederverbindung bezeichnet wird. Wenn in entgegengesetzte Richtungen gerichtete Magnetfeldlinien kollidieren, können sie brechen und sich kreuzen, wodurch Partikel wie eine doppelseitige Steinschleuder abgeschossen werden.
Aber diese Idee ähnelte eher einem abstrakten Gemälde als einem vollständigen mathematischen Modell. Wissenschaftler wollten die Einzelheiten der Funktionsweise des Prozesses verstehen – die Ereignisse, die das Schnappen beeinflussen, den Grund, warum so viel Energie freigesetzt wird. Aber das chaotische Zusammenspiel von heißem Gas, geladenen Teilchen und Magnetfeldern ist mathematisch nur schwer zu bändigen.
Die erste quantitative Theorie, 1957 von den Astrophysikern Peter Sweet und Eugene Parker beschrieben, behandelt Plasmen als magnetisierte Flüssigkeiten. Dies deutet darauf hin, dass Kollisionen entgegengesetzt geladener Teilchen magnetische Feldlinien anziehen und eine außer Kontrolle geratene Kette von Wiederverbindungsereignissen auslösen. Ihre Theorie sagt auch voraus, dass dieser Prozess mit einer bestimmten Geschwindigkeit abläuft. Die in relativ schwachen, im Labor geschmiedeten Plasmen beobachteten Wiederverbindungsraten stimmen mit ihrer Vorhersage überein, ebenso wie die Raten für kleinere Jets in den unteren Schichten der Sonnenatmosphäre.
Aber Sonneneruptionen setzen Energie viel schneller frei, als die Theorie von Sweet und Parker erklären kann. Ihren Berechnungen zufolge dürften sich diese Ausbrüche über Monate und nicht über Minuten entfalten.
In jüngerer Zeit Beobachtungen der NASA magnetosphärische Satelliten haben festgestellt, dass diese schnellere Wiederverbindung noch näher an der Heimat, im Erdmagnetfeld, stattfindet. Diese Beobachtungen, zusammen mit Beweisen aus jahrzehntelangen Computersimulationen, bestätigen diese „schnelle“ Wiederverbindungsrate: In energiereicheren Plasmen erfolgt die Wiederverbindung mit etwa 10 % der Geschwindigkeit, mit der sich Magnetfelder ausbreiten – Größenordnungen schneller, als die Theorie von Sweet und Parker vorhersagt .
Die Wiederverbindungsrate von 10 % wird so allgemein beobachtet, dass viele Wissenschaftler sie als „von Gott gegebene Zahl“ betrachten, sagte er Alisa Galishnikova, ein Forscher in Princeton. Aber die Anrufung des Göttlichen trägt wenig dazu bei, zu erklären, warum die Wiederverbindung so schnell erfolgt.
Gottes Nummer
In den 1990er-Jahren wandten sich Physiker von der Betrachtung von Plasmen als Flüssigkeiten ab, die sich als zu einfach herausgestellt hatte. Vergrößert betrachtet besteht eine magnetisierte Suppe tatsächlich aus einzelnen Partikeln. Und wie diese Teilchen miteinander interagieren, macht einen entscheidenden Unterschied.
„Wenn man die Mikroskalen erreicht, beginnt die Flüssigkeitsbeschreibung zusammenzubrechen“, sagte er Amitava Bhattacharjee, ein Plasmaphysiker in Princeton. „Das [mikrophysikalische] Bild enthält Dinge, die das flüssige Bild niemals erfassen kann.“
Seit zwei Jahrzehnten vermuten Physiker, dass ein elektromagnetisches Phänomen namens Hall-Effekt das Geheimnis einer schnellen Wiederverbindung bergen könnte: Negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen haben unterschiedliche Massen und bewegen sich daher mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entlang magnetischer Feldlinien. Dieser Geschwindigkeitsunterschied erzeugt eine Spannung zwischen den getrennten Ladungen.
Im Jahr 2001 gründeten Bhattacharjee und seine Kollegen zeigte dass nur Modelle, die den Hall-Effekt beinhalteten, entsprechend schnelle Wiederverbindungsraten lieferten. Aber wie genau diese Spannung die magischen 10 % erzeugte, blieb ein Rätsel. „Es hat uns nicht das ‚Wie‘ und ‚Warum‘ gezeigt“, sagte er Yi-Hsin Liu, ein Plasmaphysiker am Dartmouth College.
Einleitung
Nun haben Liu und Kollegen in zwei kürzlich veröffentlichten theoretischen Arbeiten versucht, die Details zu klären.
Das erstes Papier, veröffentlicht in Kommunikationsphysikbeschreibt, wie die Spannung ein Magnetfeld induziert, das Elektronen aus dem Zentrum der beiden kollidierenden magnetischen Regionen wegzieht. Durch diese Ablenkung entsteht ein Vakuum, das neue Feldlinien ansaugt und in der Mitte einklemmt, sodass sich die magnetische Schleuder schneller bilden kann.
„Dieses Bild wurde übersehen … [aber] es starrte uns ins Gesicht“, sagte Jim Drake, ein Plasmaphysiker an der University of Maryland. „Das ist das erste überzeugende Argument, das ich je gesehen habe.“
Im zweites Papier, veröffentlicht in Physical Review LettersLiu und sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Matthew Goodbred beschreiben, wie der gleiche Vakuumeffekt in extremen Plasmen mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen entsteht. Man geht beispielsweise davon aus, dass in der Umgebung von Schwarzen Löchern Plasmen aus Elektronen und ebenso massereichen Positronen bestehen, sodass der Hall-Effekt nicht mehr gilt. Dennoch „funktioniert die Wiederverbindung auf magische Weise immer noch auf ähnliche Weise“, sagte Liu. Die Forscher gehen davon aus, dass in diesen stärkeren Magnetfeldern die meiste Energie für die Beschleunigung von Teilchen aufgewendet wird, anstatt sie zu erhitzen – was wiederum zu einem Druckabbau führt, der die göttliche Rate von 10 % ergibt.
„Theoretisch ist es ein wichtiger Meilenstein“, sagte er Lorenzo Sironi, ein theoretischer Astrophysiker an der Columbia University, der an Computersimulationen hochenergetischer Plasmastrahlen arbeitet. „Das gibt uns die Gewissheit, dass das, was wir in unseren Simulationen sehen, nicht verrückt ist.“
Partikel auswählen
Wissenschaftler können nicht jedes einzelne Teilchen in groß angelegten Plasmasimulationen modellieren. Dies würde selbst mit den fortschrittlichsten Supercomputern Milliarden Terabytes an Daten erzeugen und Hunderte von Jahren dauern. Aber Forscher haben kürzlich herausgefunden, wie man ein so unhandliches System wie eine kleinere, besser handhabbare Gruppe von Partikeln behandeln kann.
Um zu untersuchen, wie wichtig es ist, einzelne Teilchen zu berücksichtigen, verglichen Galishnikova und Kollegen zwei Simulationen eines akkretierenden Schwarzen Lochs – eine davon behandelt das Plasma als homogene Flüssigkeit, die andere wirft etwa eine Milliarde Teilchen in die Mischung. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht im März in Physical Review Letterszeigen, dass die Einbeziehung der Mikrophysik zu deutlich unterschiedlichen Bildern der Flares, Teilchenbeschleunigungen und Helligkeitsschwankungen eines Schwarzen Lochs führt.
Nun hoffen Wissenschaftler, dass theoretische Fortschritte wie der von Liu zu Modellen der magnetischen Wiederverbindung führen werden, die die Natur genauer widerspiegeln. Doch während seine Theorie darauf abzielt, das Problem der Wiederverbindungsrate zu lösen, erklärt sie nicht, warum einige Feldlinien kollidieren und eine Wiederverbindung auslösen, andere jedoch nicht. Es wird auch nicht beschrieben, wie die ausströmende Energie in Jets, Wärme und kosmische Strahlung aufgeteilt wird – oder wie das alles in drei Dimensionen und in größeren Maßstäben funktioniert. Dennoch zeigt Lius Arbeit, wie die magnetische Wiederverbindung unter den richtigen Umständen effizient genug sein kann, um kurzlebige, aber heftige Himmelsausbrüche auszulösen.
„Man muss die Frage ‚Warum‘ beantworten – das ist ein entscheidender Teil der Weiterentwicklung der Wissenschaft“, sagte Drake. „Wenn wir darauf vertrauen können, dass wir den Mechanismus verstehen, können wir viel besser herausfinden, was vor sich geht.“
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