Eine Magnetosphäre bildet sich um jedes magnetisierte Objekt, z. B. einen Planeten, das in einen Strom aus ionisiertem Gas, Plasma genannt, eingetaucht ist. Da die Erde ein intrinsisches Magnetfeld besitzt, ist der Planet von einer großen Magnetosphäre umgeben, die sich in den Weltraum erstreckt, tödliche kosmische Strahlen und Partikel von der Sonne und den Sternen blockiert und das Leben selbst ermöglicht.
In Physik der PlasmenWissenschaftler von Princeton, UCLA, und dem Instituto Superior Técnico, Portugal, berichten über eine Methode zur Untersuchung kleinerer Magnetosphären, manchmal nur Millimeter dick, im Labor.
Diese Mini-Magnetosphären wurden um Kometen und in der Nähe bestimmter Regionen des Mondes beobachtet und es wurde vermutet, dass sie Raumfahrzeuge antreiben. Sie sind gute Testbeds für die Untersuchung größerer planetengroßer Magnetosphären.
Frühere Laborexperimente wurden unter Verwendung von Plasmawindkanälen oder Hochenergielasern durchgeführt, um Mini-Magnetosphären zu erzeugen. Diese früheren Experimente waren jedoch auf 1D-Messungen von Magnetfeldern beschränkt, die nicht das vollständige 3D-Verhalten erfassen, das Wissenschaftler verstehen müssen.
„Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben wir eine neue experimentelle Plattform entwickelt, um Mini-Magnetosphären auf dem Large Plasma Device (LAPD) an der UCLA zu untersuchen“, sagte Autor Derek Schaeffer.
Diese Plattform kombiniert das Magnetfeld des LAPD mit einem schnellen lasergetriebenen Plasma und einem stromgetriebenen Dipolmagneten.
Simulation eines lasergetriebenen Plasmas, das sich in ein Dipol-Magnetfeld ausdehnt. Bildnachweis: Filipe Cruz
Das LAPD-Magnetfeld liefert ein Modell des interplanetaren Magnetfelds des Sonnensystems, während das lasergetriebene Plasma den Sonnenwind modelliert und der Dipolmagnet ein Modell für das der Erde innewohnende Magnetfeld liefert. Motorisierte Sonden ermöglichen Systemscans in drei Dimensionen, indem sie Daten aus Zehntausenden von Laserschüssen kombinieren.
Ein Vorteil bei der Verwendung dieses Aufbaus besteht darin, dass das Magnetfeld und andere Parameter sorgfältig variiert und kontrolliert werden können.
Wird der Dipolmagnet abgeschaltet, verschwinden alle Anzeichen einer Magnetosphäre. Wird das Magnetfeld des Dipols eingeschaltet, lässt sich eine Magnetopause nachweisen, die ein wichtiger Hinweis auf die Bildung einer Magnetosphäre ist.
Eine Magnetopause ist der Ort in der Magnetosphäre, an dem der Druck des planetaren Magnetfelds genau durch den Sonnenwind ausgeglichen wird. Die Experimente zeigten, dass die Magnetopause größer und stärker wird, wenn das Dipol-Magnetfeld erhöht wird.
Die Wirkung auf die Magnetopause wurde durch Computersimulationen vorhergesagt, die von den Forschern durchgeführt wurden, um ihre experimentellen Ergebnisse vollständiger zu verstehen und zu validieren. Diese Simulationen werden auch zukünftige Experimente leiten, einschließlich Studien, die eine kürzlich auf dem LAPD installierte Kathode verwenden.
„Die neue Kathode wird schnellere Plasmaflüsse ermöglichen, was es uns wiederum ermöglichen wird, die Bugschocks zu untersuchen, die um viele Planeten herum beobachtet werden“, sagte Schaeffer.
Andere Experimente werden die magnetische Wiederverbindung untersuchen, ein wichtiger Prozess in der Magnetosphäre der Erde, bei dem sich Magnetfelder vernichten, um enorme Energie freizusetzen.
Lasergetriebene Magnetosphären im Ionenmaßstab in Laborplasmen. I. Versuchsplattform und erste Ergebnisse, Physik der Plasmen (2022). aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0084353