Wie bilden sich turbulente Strukturen in astrophysikalischen Plasmen?

Alte Streitfrage geklärt / richtungweisende Veröffentlichung in Fachzeitschrift Physical Review X

18. September 2019

Existieren die in turbulenten Weltraum-Plasmen beobachteten Wellen und Strukturen unabhängig voneinander oder gibt es eine tiefere Verbindung zwischen beiden? Diese alte Streitfrage hat nun ein Team um IPP-Wissenschaftler Dr. Daniel Grošelj beantwortet.

Einen etwa 300 Kilometer breiten Bereich im Sonnenwind bildet diese dreidimensionale Supercomputer-Simulation astrophysikalischer Plasmaturbulenz nach. Zu sehen sind die Linien des magnetischen Feldes sowie die (farbig kodierte) Fluktuation der Elektronen-Dichte.

Der Blick in den Nachthimmel täuscht: Anders als es dem menschlichen Auge erscheint, ist der Raum zwischen den Himmelskörpern weder leer noch homogen. Stattdessen ist der überwiegende Teil des Alls ausgefüllt mit turbulentem, magnetisiertem Plasma. Darin finden sich Strukturen unterschiedlicher Art und Größe, zudem bewegen sich Wellen verschiedenster Sorte durch das Plasma.

Eine wichtige, seit Jahrzehnten ungelöste Streitfrage hierzu ist, wie dieser Wirrwarr zu verstehen sei. Soll man die Turbulenz als „schwach“ ansehen – im Sinne einer kleineren Störung der das physikalische Geschehen bestimmenden Wellen? Oder ist sie „stark“, d.h. die turbulenten Strukturen haben mit den Wellen nichts zu tun und dominieren sie komplett? In der wissenschaftlichen Literatur wird lebhaft zu Gunsten der einen oder anderen dieser beiden Positionen argumentiert.

Die vier MMS-Satelliten. Diese Forschungsgeräte der NASA erforschen das Zusammenspiel der Magnetfelder von Erde und Sonne.

Eine überraschende Antwort auf diese lange offene Frage gelang kürzlich einem Team um IPP-Wissenschaftler Dr. Daniel Grošelj in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review X“. Dazu hatte Daniel Grošelj Messdaten untersucht, die die vier europäisch-amerikanischen Cluster-Satelliten und die vier US-amerikanischen MMS-Satelliten (Magnetospheric Multiscale Spacecraft) in dem verwirbelten Plasma des Sonnenwinds aufgenommen haben. Insbesondere die Messungen des magnetischen Felds und der Elektronendichte des Sonnenwind-Plasmas verglich er – mit Hilfe leistungsfähiger, von ihm neu entwickelter numerischer Diagnosemethoden – mit den Ergebnissen einer aufwändigen dreidimensionalen Simulation der astrophysikalischen Plasmaturbulenz. Die dazu nötige große Rechenleistung lässt sich erst von heutigen Großrechnern bereitstellen. Simulationen dieser Art wären vor einigen Jahren noch nicht möglich gewesen.

Das richtungsweisende Ergebnis: Die zu beobachtenden turbulenten Strukturen selbst – zum Beispiel elektrische Stromschichten – zeigen eine wellenartige Signatur. Die Plasmaturbulenz trägt somit zugleich die Kennzeichen von Wellen und von Strukturen. Sie lässt sich am besten beschreiben als eine Gesamtheit räumlich lokalisierter Wellenpakete, während deren nichtlinearer Entwicklung bestimmte lineare Wellenmerkmale erhalten bleiben – ein Ergebnis, das die zwei ehemals völlig konträren Sichtweisen miteinander verbindet. Die Autoren vermuten, dass diese Erkenntnisse auch auf andere turbulente Wellensysteme, etwa rotierende Strömungen, anwendbar sein werden.

Die Arbeit von Grošelj et al. ist eines der ersten Ergebnisse des neuen Helmholtz-Exzellenznetzwerks „Munich Center for Plasma Astrophysics“ in Garching, das unter Leitung von Professor Frank Jenko im Mai die Arbeit aufgenommen hat.



Originalveröffentlichung:
Daniel Grošelj et al.: Kinetic Turbulence in Astrophysical Plasmas: Waves and/or Structures? In: Physical Review X, Band 9, 031037 (2019), DOI: 10.1103/PhysRevX.9.031037



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