Das Innenleben der Wärmeleitung in Galaxienhaufen wurde von einer Zusammenarbeit internationaler Forscher unter der Leitung der University of Oxford, der University of Rochester und der University of Chicago enträtselt.
Die meiste Materie in Galaxienhaufen liegt in Form eines dünnen ionisierten Gases namens Plasma vor, das von Magnetfeldern durchzogen ist und sich in einem turbulenten Zustand befindet; Bei der Beobachtung vieler dieser Galaxienhaufen standen Astronomen vor einem schwierigen Rätsel: Sie erscheinen alle viel heißer als erwartet.
Die Autorin der Veröffentlichung, Dr. Jena Meinecke, und das Forschungsteam nutzten das größte Lasersystem der Welt – die National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien –, um eine Nachbildung der Plasmabedingungen zu erstellen, die im Galaxienhaufen.
Co-Autor Professor Alexander Schekochihin, Institut für Physik an der Universität Oxford, sagt, „wie Energie in das Plasma injiziert wird, das Galaxienhaufen durch die heftig aktiven Galaxien in ihren Zentren füllt, wie sie dann verteilt wird und das Ganze enorm aufheizt System, das das Röntgenstrahlen erzeugt, das Observatorien wie das Chandra X-ray Observatory auffangen – dies sind grundlegende Fragen zu den größten Bausteinen unseres Universums.Sowohl Beobachtungen als auch die Logik unserer theoretischen Modelle legen nahe, dass die Wärmeleitung in diesen Plasmen stark ist unterdrückt im Vergleich zu naiven Erwartungen. Mehrere Schemata für eine solche Unterdrückung wurden theoretisiert und numerisch simuliert, aber sehr vorsichtig.
„Hier haben wir es plötzlich in einem echten Laborplasma – und so hat das Experiment jetzt die Chance, die Theorie zu überspringen, indem es dabei hilft, die grundlegenden Eigenschaften eines astrophysikalischen Plasmas zu klären, eine aufregende Aussicht.“
Dr. Meinecke, der während der Forschung an der University of Oxford war und jetzt an der Boise State University ist, fuhr fort: „Die am NIF durchgeführten Experimente sind buchstäblich nicht von dieser Welt. Sie können die kraftvolle Dynamik des Universums ins Labor bringen bietet die NIF wirklich Möglichkeiten, ins Unbekannte vorzudringen.“
In den Experimenten am NIF verwendeten die Forscher Laserstrahlen, um Kunststofffolien zu verdampfen und ein turbulentes und magnetisiertes Plasma zu erzeugen.
Dr. Archie Bott, Department of Astrophysical Sciences an der Princeton University, sagt: „Das Einzigartige an diesen NIF-Experimenten ist, dass Elektronen im Plasma so selten miteinander kollidieren, dass sie schließlich den verworrenen Magnetfeldlinien folgen.“
„Dieses Phänomen, von dem angenommen wird, dass es genau in Galaxienhaufen auftritt, führt zu einer unterdrückten Wärmeleitung“, sagte Dr. Bott
Dieser Effekt ist in den Labordaten deutlich zu sehen: Die Messungen zeigen Taschen aus heißem Plasma, die über die Zeit bestehen bleiben und Wärme nicht entweichen kann.
3D-strahlungsmagneto-hydrodynamische FLASH-Simulation der experimentellen Plattform NIF TDYNO. Darstellung des Magnetfelds als Funktion der Zeit, wobei Gitter und zylindrische Abschirmungen grau dargestellt sind. Die Laserablation erzeugt zwei gegenläufige Ströme, die durch die Gitter gehen und in der Mitte kollidieren, um einen heißen turbulenten Bereich zu bilden, in dem ein turbulenter Dynamo arbeiten kann. Seed-Magnetfelder aus der Laser-Target-Wechselwirkung erreichen das Zentrum und turbulenter Dynamo verstärkt sie auf große Werte, die millionenfach so stark sind wie das Magnetfeld der Erde, was zu einer deutlichen Verringerung der Wärmeleitung führt. Filmkredit: JT Laune, Cornell University. Bildnachweis: JT Laune, Cornell University
Der Hauptforscher der Experimente, Professor Gianluca Gregori vom Fachbereich Physik der Universität Oxford, sagt: „Diese Arbeit ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis der mikroskopischen Prozesse, die in sowohl magnetisierten als auch turbulenten Plasmen ablaufen. Die experimentellen Ergebnisse sind etwas überraschend da sie zeigen, dass Energie auf ganz andere Weise transportiert wird, als wir es von einfachen Theorien erwarten würden.“
„Das ist in der Tat ein erstaunliches Ergebnis“, bestätigt Professor Petros Tzeferacos, Direktor des Flash Center of Computational Science, der die Simulationsbemühungen leitete, um die experimentelle NIF-Kampagne zu entwerfen und zu interpretieren.
„Um die NIF-Experimente zu modellieren, haben wir die gesamte Palette der physikalischen Fähigkeiten von FLASH, dem von uns entwickelten Multi-Physik-Simulationscode, zur Geltung gebracht. Die FLASH-Simulationen waren der Schlüssel zum Entwirren der Physik, die im turbulenten, magnetisierten Plasma im Spiel ist, aber der Ebene der Unterdrückung des Wärmetransports übertraf das, was wir erwartet hatten.“
Obwohl die Simulationen die experimentellen Ergebnisse reproduzieren, indem sie den Elektronenwärmetransport steuern, bleibt der mikroskopische Mechanismus, der letztendlich für die beobachtete Unterdrückung verantwortlich ist, unklar.
Es laufen Vorbereitungen für weitere Arbeiten unter Verwendung des NIF-Lasers, um die Details dieser Wechselwirkungen zu untersuchen.
„Diese Experimente bieten Einblicke in komplexe physikalische Prozesse und werfen auch zusätzliche Fragen auf, die wir hoffentlich in den kommenden NIF Discovery Science-Experimenten mit einem optimierten Zieldesign und einer diagnostischen Konfiguration beantworten können“, sagte Dr. James Steven Ross, Verbindungswissenschaftler des Projekts am LLNL.
Diese Experimente zeigen, wie Laborerkundungen komplementär zu Beobachtungen zum Verständnis astrophysikalischer Systeme beitragen können.
Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.
J. Meinecke et al., Starke Unterdrückung der Wärmeleitung in einer Labornachbildung turbulenter Plasmen von Galaxienhaufen, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abj6799. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj6799