Wissenschaftler verwenden 196 Laser, um die Bedingungen in gigantischen Galaxienhaufen nachzubilden

Galaxien leben selten allein. Stattdessen werden Dutzende bis Tausende durch die Schwerkraft zusammengezogen und bilden riesige Cluster, die die größten Objekte im Universum sind.

„Galaxienhaufen sind eines der Ehrfurcht gebietendsten Dinge im Universum“, sagte Prof. Emeritus Don Lamb, ein Astrophysiker der University of Chicago und Co-Autor eines neuen Papiers, das am 9. März veröffentlicht wurde – eines, das den Weg zur Lösung eines Problems weisen könnte jahrzehntelanges Rätsel.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass das Wasserstoffgas in Galaxienhaufen sengend heiß ist – etwa 10 Millionen Grad Kelvin oder ungefähr die gleiche Temperatur wie das Zentrum der Sonne –, was so heiß ist, dass Wasserstoffatome nicht existieren können. Stattdessen ist das Gas ein Plasma, das aus Protonen und Elektronen besteht.

Aber ein Rätsel bleibt bestehen: Es gibt keine einfache Erklärung dafür, warum oder wie das Gas so heiß bleibt. Nach den normalen Regeln der Physik hätte es sich innerhalb des Zeitalters des Universums abkühlen müssen. Aber das hat es nicht.

Die Herausforderung für jeden, der versucht, dieses Rätsel zu lösen, besteht darin, dass Sie diese Art von stark heißen und magnetischen Bedingungen in Ihrem Garten nicht genau erzeugen können.

Allerdings gibt es jetzt einen Ort auf der Erde, an dem Sie dies tun können: die energiereichste Laseranlage der Welt. Die National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory ist in der Lage, solche extremen Bedingungen zu schaffen – allerdings nur für den winzigen Bruchteil einer Sekunde in einem Volumen von der Größe eines Cent.

Wissenschaftler der University of Chicago, der University of Oxford und der University of Rochester arbeiteten zusammen, um mithilfe der National Ignition Facility in Livermore, Kalifornien, Bedingungen zu schaffen, die denen des heißen Gases in gigantischen Galaxienhaufen ähneln. „Die am NIF durchgeführten Experimente sind buchstäblich nicht von dieser Welt“, sagte Jena Meinecke, die die Erstautorin des Papiers war.

Die Wissenschaftler fokussierten 196 Laser auf ein einziges winziges Ziel und erzeugten ein weißglühendes Plasma mit intensiven Magnetfeldern, das einige Milliardstel Sekunden lang existiert.

Dies war lang genug, um festzustellen, dass anstelle einer einheitlichen Temperatur heiße und kalte Stellen im Plasma vorhanden waren.

Dies passt zu einer der Theorien, die vorgeschlagen wurden, wie Wärme in Galaxienhaufen eingeschlossen wird. Normalerweise würde sich Wärme leicht verteilen, wenn Elektronen miteinander kollidieren. Aber die verworrenen Magnetfelder im Inneren des Plasmas können diese Elektronen beeinflussen und dazu führen, dass sie sich spiralförmig in Richtung der Magnetfelder drehen – was sie daran hindern kann, ihre Energie gleichmäßig zu verteilen und zu verteilen.

Tatsächlich sahen sie im Experiment, dass die Energieleitung um mehr als den Faktor 100 unterdrückt wurde.

„Das ist ein unglaublich aufregendes Ergebnis, weil wir zeigen konnten, dass die Vorschläge der Astrophysiker auf dem richtigen Weg sind“, sagte Lamb, emeritierter Professor für Astronomie und Astrophysik von Robert A. Millikan.

„Dies ist in der Tat ein erstaunliches Ergebnis“, fügte Prof. Petros Tzeferacos, Co-Autor der Studie, von der University of Rochester hinzu, der die Computersimulationen des komplizierten Experiments beaufsichtigte. „Die Simulationen waren der Schlüssel, um die Physik im turbulenten, magnetisierten Plasma zu entwirren, aber das Ausmaß der Unterdrückung des Wärmetransports lag über unseren Erwartungen.“

Die Simulationen wurden mit einem Computercode namens FLASH-Codes durchgeführt, der an der University of Chicago entwickelt wurde und jetzt am Flash Center for Computational Science der University of Rochester unter der Leitung von Tzeferacos gehostet wird. Der Code ermöglicht es Wissenschaftlern, ihre Laserexperimente bis ins kleinste Detail zu simulieren, bevor sie sie durchführen, damit sie die gewünschten Ergebnisse erzielen können.

Dies ist von entscheidender Bedeutung, da die Wissenschaftler nur wenige kostbare Aufnahmen in der Einrichtung erhalten – wenn etwas schief geht, gibt es keine Wiederholung. Und weil die Versuchsbedingungen nur Nanosekunden andauern, müssen die Wissenschaftler darauf achten, die benötigten Messungen genau zum richtigen Zeitpunkt durchzuführen. Das bedeutet, dass alles lange im Voraus genau geplant werden muss.

„Es ist eine Herausforderung, wenn man an den äußersten Grenzen dessen steht, was getan werden kann, aber dort ist die Grenze“, sagte Lamb.

Es bleiben jedoch noch weitere Fragen zur Physik von Galaxienhaufen offen. Obwohl die Hot- und Cold-Spots ein solider Beweis für den Einfluss von Magnetfeldern auf die Abkühlung des heißen Gases in Galaxienhaufen sind, sind weitere Experimente erforderlich, um genau zu verstehen, was passiert. Die Gruppe plant ihre nächste Versuchsrunde am NIF später in diesem Jahr.

Im Moment sind sie jedoch froh darüber, Licht ins Dunkel gebracht zu haben, warum das Gas in Galaxienhaufen auch nach Milliarden von Jahren immer noch heiß ist.

„Es ist eine Erinnerung daran, dass das Universum voller erstaunlicher Dinge ist“, sagte Lamb.

Der Hauptforscher des Experiments war Prof. Gianluca Gregori von der Universität Oxford. Zu den Teammitgliedern gehörten auch Prof. Alexander Schekochihin aus Oxford, Archie Bott aus Princeton und James Steven Ross vom Lawrence Livermore National Laboratory.