Plasma ist Materie, die so heiß ist, dass die Elektronen von Atomen getrennt werden. Die Elektronen schweben frei und die Atome werden zu Ionen. Dadurch entsteht ein ionisiertes Gas – Plasma – das fast das gesamte sichtbare Universum ausmacht. Neuere Forschungen zeigen, dass Magnetfelder spontan in einem Plasma entstehen können. Dies kann passieren, wenn das Plasma eine Temperaturanisotropie aufweist – eine Temperatur, die entlang unterschiedlicher Raumrichtungen unterschiedlich ist.
Dieser Mechanismus ist als Weibel-Instabilität bekannt. Es wurde vor mehr als sechs Jahrzehnten vom Plasmatheoretiker Eric Weibel vorhergesagt, aber erst jetzt im Labor eindeutig beobachtet. Neue Forschung, jetzt veröffentlicht in Proceedings of the National Academy of Sciencesstellt fest, dass dieser Prozess einen erheblichen Teil der in der Temperaturanisotropie gespeicherten Energie in Magnetfeldenergie umwandeln kann. Es stellt auch fest, dass die Weibel-Instabilität eine Quelle von Magnetfeldern sein könnte, die den gesamten Kosmos durchdringen.
Die Materie in unserem beobachtbaren Universum befindet sich im Plasmazustand und ist magnetisiert. Magnetfelder im Mikrogauss-Bereich (etwa ein Millionstel der Magnetfelder der Erde) durchdringen die Galaxien. Es wird angenommen, dass diese Magnetfelder von schwachen Seed-Feldern durch die spiralförmige Bewegung der Galaxien, bekannt als galaktischer Dynamo, verstärkt werden. Wie die Seed-Magnetfelder erzeugt werden, ist eine langjährige Frage in der Astrophysik.
Diese neue Arbeit bietet eine mögliche Lösung für dieses ärgerliche Problem des Ursprungs der Seed-Magnetfelder im Mikrogauss-Bereich. Die Forschung nutzte eine neuartige Plattform, die ein großes Potenzial für die Untersuchung der ultraschnellen Dynamik von Magnetfeldern in Laborplasmen hat, die für die Astro- und Hochenergiedichtephysik relevant sind.
Die erstmals vor sechs Jahrzehnten theoretisierte Weibel-Instabilität, die durch Temperaturanisotropie verursacht wird, gilt als wichtiger Mechanismus für die Selbstmagnetisierung vieler Labor- und astrophysikalischer Plasmen. Wissenschaftler standen jedoch vor zwei Herausforderungen, um die Weibel-Instabilität eindeutig nachzuweisen. Erstens waren Forscher bis vor kurzem nicht in der Lage, ein Plasma mit einer bekannten Temperaturanisotropie zu erzeugen, wie es ursprünglich von Weibel vorgesehen war. Zweitens verfügten die Forscher über keine geeignete Technik, um die komplexe und sich schnell entwickelnde Topologie der anschließend im Plasma erzeugten Magnetfelder zu messen.
Diese Arbeit, die durch die einzigartige Fähigkeit der Accelerator Test Facility, einer Benutzereinrichtung des Energieministeriums (DOE) am Brookhaven National Laboratory, ermöglicht wurde, verwendete eine neuartige experimentelle Plattform, die es den Forschern ermöglichte, ein Wasserstoffplasma mit bekannten hoch anisotropen Elektronengeschwindigkeitsverteilungen zu erzeugen auf einer Zehn-Billionstel-Sekunde-Zeitskala mithilfe eines ultrakurzen, aber intensiven Kohlendioxid-Laserpulses.
Die anschließende Thermalisierung des Plasmas erfolgt durch Selbstorganisation von Plasmaströmen, die durch Weibel-Instabilität getriebene Magnetfelder erzeugen. Diese Felder sind groß genug, um relativistische Elektronen abzulenken, um ein Bild der Magnetfelder in einer bestimmten Entfernung vom Plasma zu zeigen. Die Forscher erhielten einen Film über die Entwicklung dieser Magnetfelder mit hervorragender räumlich-zeitlicher Auflösung, indem sie einen relativistischen Elektronenstrahl von einer Pikosekunde verwendeten, um diese Felder zu untersuchen.
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Abbildung der selbsterzeugten Magnetfelder aufgrund thermischer Weibel-Instabilität, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.221171311. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2211713119