Neutronensterne und Schwarze Löcher mögen stellare Leichen sein, aber sie gehören zu den aktivsten Himmelsobjekten. Sie produzieren einige der energiereichsten Strahlungen, die jemals beobachtet wurden, und Wissenschaftler haben lange über die Physik nachgedacht, die dem Prozess zugrunde liegt, der ihre energetischen Emissionen antreibt.
Nun, in einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Briefe zur körperlichen Überprüfungein Dartmouth-Physiker und ein Assistenzprofessor haben eine neue Theorie vorgeschlagen, die erklärt, wie magnetische Energie in diesen extremen Umgebungen sehr schnell mit explosiver Energie in geladene Teilchen freigesetzt werden kann.
Ähnliche magnetische Explosionen treten auch näher an der Heimat auf und lösen Sonneneruptionen und Nordlichter aus. Sie können überall dort beobachtet werden, wo geladene Gase, Plasma genannt, gefunden werden – sogar in einem Labor, sagt Matthew Goodbred ’23, der Hauptautor der Veröffentlichung.
Die Elektronen und Ionen in einem Plasma fließen entlang magnetischer Feldlinien, die normalerweise getrennt bleiben. Wenn Linien, die in entgegengesetzte Richtungen zeigen, sich jedoch nahe kommen, können sie verschmelzen und auseinander peitschen, wodurch eine gewaltige Energiemenge freigesetzt wird, die die Plasmateilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt – ein gut untersuchtes Phänomen, das als magnetische Wiederverbindung bekannt ist.
Anfang dieses Jahres präsentierte Co-Autor Yi-Hsin Liu, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie, eine Erklärung für den Prozess, der die Wiederverbindungsrate bei Sonneneruptionen beschleunigt. Kurz nach dieser Arbeit versuchte Goodbred, den Mechanismus der Wiederverbindung in einigen der dichtesten Objekte im Universum zu untersuchen, wie z. B. Neutronensternen, die entstehen, wenn einem massereichen Stern der Brennstoff ausgeht und er zusammenbricht.
„Astrophysikalische Umgebungen, insbesondere um Neutronensterne und Schwarze Löcher herum, sind etwas Besonderes, weil ihre Magnetfelder so stark sind“, sagt Goodbred, der während der Pandemie im Sommer 2020 begann, aus der Ferne mit Liu zusammenzuarbeiten.
Auch ihre Plasmen sind unterschiedlich, sie bestehen aus Elektronen und ihrer Antimaterie, die beide die gleiche Masse haben. Das Sonnenplasma besteht aus Protonen und Elektronen, die sehr unterschiedliche Massen haben, so dass die Physik in den beiden Szenarien unterschiedlich ist, sagt er.
Um eine mathematische Beschreibung der Wiederverbindung in solchen Umgebungen zu finden, untersuchte Goodbred den Energiefluss an der Stelle der Wiederverbindung. Sein Modell sagt voraus, dass eine Unterstützung der Magnetfeldumkehr um den Standort herum, wenn das Feld extrem stark ist, nur möglich ist, wenn es viele sich schnell bewegende Teilchen gibt, die elektrischen Strom transportieren können.
Die Stromträger im Plasma nehmen einen Großteil der Energie weg und erzeugen eine Art Druckleere, die das umgebende Magnetfeld schnell anzieht, wodurch die Voraussetzungen für eine so schnelle Wiederverbindung geschaffen werden.
„Diese neue Ableitung liefert die erste ausschließlich aus physikalischen Grundgesetzen abgeleitete Theorie, die die schnelle Wiederverbindungsrate in solchen Systemen erklärt, die in allen früheren kinetischen Simulationen beobachtet (aber nicht wirklich erklärt) wurde“, sagt Liu.
Die Vorhersagen des Modells wurden auch durch Simulationen gestützt, die die Autoren durchführten.
„Ich finde dieses Phänomen der Wiederverbindung wirklich sehr faszinierend“, sagt Goodbred, „besonders wenn es auf astrophysikalische Situationen angewendet wird, wo es so schwer ist, sich das Ausmaß und die Kraft dieser explosiven Ereignisse vorzustellen, die im ganzen Universum stattfinden.“
Goodbred, der in der Nähe von Nashville, Tennessee, aufgewachsen ist, plant, nach seinem Abschluss ein Jahr Pause einzulegen, und freut sich darauf, seiner Liebe zur Natur nachzugehen, während er sich darauf vorbereitet, sich an der Graduiertenschule zu bewerben und zu promovieren. Theorie macht ihm Spaß, weil sie sich kreativ anfühlt.
„Bei der Lösung eines Problems gibt es viele mögliche Wege zu erkunden“, sagt er, „und es ist befriedigend, diese Möglichkeiten auf eine endgültige Theorie einzugrenzen.“
Mehr Informationen:
Matthew Goodbred et al, First-Principles Theory of the Relativistic Magnetic Reconnection Rate in Astrophysical Pair Plasmen, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.265101