Bahnbrechende Erkenntnisse zur Plasmaphysik und zu astrophysikalischen Phänomenen

Unterschiedliche Formen von Turbulenz in der Cygnus-X-Region über einer Gammastrahlenkarte des Fermi-LAT. Farbkodierung: Grün – alfvénische Turbulenz; Rot – magnetoakustische Turbulenz; Blau – isotrope Turbulenz. Die Entfernung des Objekts beträgt 1400 Parsec, der Radius des Wirbels ca. 15 Parsec (1 Parsec = 3,26 Lichtjahre). | Bildrechte: Zhang et al. 2020 Nature Astronomy
Quelle: Zhang et al. 2020 Nature Astronomy
Unterschiedliche Formen von Turbulenz in der Cygnus-X-Region über einer Gammastrahlenkarte des Fermi-LAT. Farbkodierung: Grün – alfvénische Turbulenz; Rot – magnetoakustische Turbulenz; Blau – isotrope Turbulenz. Die Entfernung des Objekts beträgt 1400 Parsec, der Radius des Wirbels ca. 15 Parsec (1 Parsec = 3,26 Lichtjahre).

Die Rolle von Turbulenz bei verschiedenen physikalischen Prozessen ist ein brandaktuelles Forschungsthema. Einem Team um Prof. Dr. Huirong Yan vom Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam ist es nun gelungen zu zeigen, dass Turbulenz weit außerhalb unseres Sonnensystems magnetohydrodynamisch ist und dabei unterschiedliche Plasmaformen annehmen kann. Ihre Studie, deren Ergebnisse sie in Nature Astronomy veröffentlicht haben, eröffnet neue Möglichkeiten, um Plasmaphysik mit beobachteten astrophysikalischen Phänomenen zu verknüpfen.

Plasma wird oft als der vierte Aggregatzustand bezeichnet und ist viel häufiger als feste, flüssige oder gasförmige Materie. Sterne bestehen zum Großteil aus Plasma – insgesamt fast 90 Prozent der sichtbaren Materie im Universum. Magnetohydrodynamische Prozesse und Plasma-Instabilitäten sind in der Astrophysik die fundamentalen Eigenschaften des Plasmas.

Mithilfe der neu entwickelten Methode Signature from Polarization Analysis (SPA) beobachteten Prof. Dr. Huirong Yan und ihr Team die Zusammensetzung von Plasmaformen im interstellaren Medium. SPA verknüpft dabei die Synchrotron-Polarisationseigenschaften mit verschiedenen Plasmaformen. Synchrotron-Polarisation entsteht aus Elektronen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit in Magnetfeldern bewegen. Solch ein Aufbau wird am Beschleunigerzentrum DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) realisiert, einem der Arbeitsplätze von Prof. Yan.

Prof. Yan und ihr Team haben insbesondere die Polarisationsdaten der Cygnus-X-Region und einer Region in der Nähe des Rosettennebels analysiert, die für massive Sternenbildung in unserer Galaxie bekannt sind. Sie haben in diesen Bereichen verschiedene Plasmaformen mit unterschiedlichen Ausbreitungsrelationen und -charakteristiken gefunden. Diese Entdeckung stellt klar die Vielfalt interstellarer Turbulenz heraus, die durch unterschiedliche Antriebsmechanismen und lokale Umgebungen verursacht wird. Das widerlegt die in Studien zur astrophysikalischen Turbulenz häufig vertretene Annahme einer einzigen Plasmaform. Außerdem stimmen die entdeckten Plasmaformen sehr stark mit einem Bereich intensiver Gammastrahlung in der Cygnus-X-Region überein, die man mit dem Weltraumteleskop Fermi-LAT der NASA beobachtet hat (s. Abbildung). Diese Übereinstimmung lässt Rückschlüsse auf den Transport kosmischer Strahlen zu.

Huirong Yan ist gemeinsam berufene Professorin mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY), einem Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft in Zeuthen. Sie leitet die Arbeitsgruppe Plasma Astrophysik an der Universität Potsdam. Ihre Gruppe beschäftigt sich mit der Erforschung der grundlegenden Prozesse der Plasmaphysik, die eng mit vielen astrophysikalischen Phänomenen rund um unser Sonnensystem bis hin zum frühen Universum verbunden sind.

Link zur Publikation:
Zhang, H., Chepurnov, A., Yan, H. et al. Identification of plasma modes in Galactic turbulence with synchrotron polarization. Nat Astron (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1093-4
Abbildung: Unterschiedliche Formen von Turbulenz in der Cygnus-X-Region über einer Gammastrahlenkarte des Fermi-LAT. Farbkodierung: Grün – alfvénische Turbulenz; Rot – magnetoakustische Turbulenz; Blau – isotrope Turbulenz. Die Entfernung des Objekts beträgt 1400 Parsec, der Radius des Wirbels ca. 15 Parsec (1 Parsec = 3,26 Lichtjahre). Bildrechte: Zhang et al. 2020 Nature Astronomy.

Kontakt:
Prof. Dr. Huirong Yan, Institut für Physik und Astronomie, E-Mail: huyanuni-potsdamde, Tel.: 0331 977-2178

Medieninformation 26-05-2020 / Nr. 060