Struktur im Unstrukturierten: Neues Phänomen im Sonnenwind entdeckt Forschende der TU Braunschweig entdecken neuen Mechanismus der Plasmaturbulenz im Sonnenwind

Turbulenzen kennt jeder, ob es Milch ist, die im Kaffee verrührt wird oder atmosphärische Turbulenz, die das Flugzeug wackeln lässt. Im Weltraum verhalten sich Turbulenzen jedoch anders und geben der Physik noch Rätsel auf. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität Braunschweig weist nun erstmals eine Umkehr der magnetischen Felddrehung in der Weltraumturbulenz nach. Dadurch entsteht eine Struktur im unstrukturierten Weltraumplasma. Die Ergebnisse sind nun in „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht worden.

Das Team vom Institut für Theoretische Physik der TU Braunschweig hat gemeinsam mit Forschenden aus insgesamt zehn Ländern ein grundlegend neues Phänomen nachgewiesen. Mithilfe hochpräziser Magnetfeld- und Teilchendaten der NASA-Mission Parker Solar Probe zeigte das Team erstmals direkt, dass die turbulenten Magnetfelder eine klare Umkehr der Drehrichtung über eine bestimmte Wellenlänge zeigt. Sie belegten sogar, dass die Umkehr der Drehrichtung auf größeren Wellenlängen in radialer Richtung weg von der Sonne wächst. Mit dem Übergang von der großskaligen, flussartigen Dynamik fällt die Umkehr der Drehrichtung auf kleinskalige, teilchenartigen Dynamik zusammen.

Kleinskaliges Phänomen mit großer Bedeutung

Die Physik von Turbulenzen im Weltraum unterscheidet sich von dem Phänomen hier auf der Erde. Materie, vor allem Gas und Staub, befindet sich dort in einem sogenannten Plasmazustand. Dieser entsteht durch Ionisation: das Gas erhält so viel Energie, dass sich die Elektronen von den Atomen oder Molekülen ablösen. Das Weltraumplasma ist zum einen stark mit den elektromagnetischen Feldern im All gekoppelt. Außerdem ist es stoßfrei, das heißt im Plasma befinden sich nur wenige Teilchen auf großem Raum. Dadurch sind die Abstände zwischen diesen Teilchen sehr groß und sie stoßen nicht aneinander. Diese Eigenschaften führen dazu, dass sich die Materie in Turbulenz anders verhält und Fragen in der Physik aufwirft. Wie entwickelt sich das Plasma in Turbulenz? Wie wird die Energie in der stoßfreien Turbulenz verteilt?

„An größeren Längenskalen verhält sich das Weltraumplasma wie eine Flüssigkeit und die Turbulenz entwickelt sich durch Anregung von Wirbeln und elektromagnetischen Wellen. Die Fluktuationen werden zufällig, also turbulent. Die magnetische Feldrotation wird aber nicht zufällig. Die Felder drehen sich bevorzugt linkshändig um die radiale Richtung von der Sonne herum. Die Drehung sieht aber anders an kleineren Längenskalen aus. Die Felder drehen sich rechtshändig, wenn man sich das turbulente Plasma an kleineren Längenskalen anschaut. Die Skala ist genau am Übergang vom flussartigen Verhalten im Plasma zum teilchenartigen Verhalten. Wir sehen eine klare Struktur im Spektrum, obwohl die Turbulenz unstrukturierte Bewegung darstellt“, sagt Dr. Masatomi Iizawa, Erstautor der Studie.

Die Ergebnisse sind sowohl für die Plasmaphysik als auch für die Astrophysik von großer Bedeutung. Neu ist die Erkenntnis, dass sich diese Struktur selbst auf der Skala zeigt, auf der sich das Plasma nicht mehr wie ein Fluid verhält und stattdessen die Bewegung einzelner geladener Teilchen bestimmend wird. Diese Skala liegt außerhalb der Reichweite von Theorien, die Plasma als Fluid beschreiben, und hat bislang wenig theoretische Aufmerksamkeit erhalten. Das Ergebnis beleuchtet damit einen weitgehend unerforschten Bereich der Turbulenz. Plasmaturbulenz spielt eine wichtige Rolle in der Astrophysik, zum Beispiel in der Erdmagnetosphäre, dem Sonnenwind, den Sonneneruptionen sowie im interplanetaren Raum und bei Akkretionsscheiben. Turbulenz im Weltraumplasma kann die Stoßwellen und magnetischen Wolken beeinflussen, die von koronalen Massenauswürfen angetrieben werden. Dabei handelt es sich um gewaltige Materieausbrüche der Sonne, die häufig mit Sonneneruptionen einhergehen. Turbulenz ist somit ein sehr wichtiger Faktor für die Vorhersage von geomagnetischen Stürmen, die verschiedene Auswirkungen vom Erscheinen von Polarlichtern bis hin zu Störungen in Stromnetzen haben können.

Das Projekt wird derzeit vom Institut für Theoretische Physik an der TU Braunschweig geleitet und durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.