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Magnetfeldlinien, die wie Spaghetti in einer Schüssel verwickelt sind, könnten hinter den stärksten Teilchenbeschleunigern im Universum stecken. Das ist das Ergebnis einer neuen Computerstudie von Forschern des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums, die Partikelemissionen entfernter aktiver Galaxien simulierten.

SLAC-Forscher haben einen neuen Mechanismus gefunden, der erklären könnte, wie Plasmastrahlen, die wie in dieser Abbildung aus dem Zentrum aktiver Galaxien austreten, Teilchen auf extreme Energien beschleunigen. Computersimulationen (eingekreister Bereich) zeigten, dass verflochtene Magnetfeldlinien starke elektrische Felder in Richtung der Jets erzeugen, was zu dichten elektrischen Strömen hochenergetischer Teilchen führt, die von der Galaxie wegströmen. (Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

Im Kern dieser aktiven Galaxien starten supermassereiche Schwarze Löcher Hochgeschwindigkeits-Plasmastrahlen – ein heißes, ionisiertes Gas –, die Millionen von Lichtjahren in den Weltraum schießen. Dieser Prozess könnte die Quelle kosmischer Strahlung sein, deren Energien mehrere zehn Millionen Mal höher sind als die Energie, die im stärksten künstlichen Teilchenbeschleuniger freigesetzt wird.

„Der Mechanismus, der diese extremen Teilchenenergien erzeugt, ist noch nicht bekannt“, sagte der SLAC-Mitarbeiter Frederico Fiúza, der Hauptforscher einer neuen Studie , die morgen in Physical Review Letters veröffentlicht wird. „Aber basierend auf unseren Simulationen können wir einen neuen Mechanismus vorschlagen, der möglicherweise erklären kann, wie diese kosmischen Teilchenbeschleuniger funktionieren.“

Die Ergebnisse könnten auch Auswirkungen auf die Plasma- und Kernfusionsforschung sowie die Entwicklung neuartiger Hochenergie-Teilchenbeschleuniger haben.

Diese Filme zeigen, wie Verzerrungen des helikalen Magnetfelds eines kosmischen Jets (Mitte) ein starkes elektrisches Feld in Jetrichtung erzeugen (links). Das elektrische Feld erhöht die Energie geladener Teilchen und erzeugt effektiv einen dichten elektrischen Strom entlang des Strahls (rechts). (arXiv:1810.05154v1)

Simulation kosmischer Jets

Forscher sind seit langem fasziniert von den heftigen Prozessen, die die Energie kosmischer Teilchen steigern. Sie haben beispielsweise Beweise dafür gesammelt, dass Stoßwellen von mächtigen Sternexplosionen Teilchen auf Geschwindigkeit bringen und durch das Universum schicken könnten.

Wissenschaftler haben auch vorgeschlagen, dass die Hauptantriebskraft für kosmische Plasmastrahlen magnetische Energie sein könnte, die freigesetzt wird, wenn magnetische Feldlinien in Plasmen auf andere Weise unterbrochen und wieder verbunden werden – ein Prozess, der als „magnetische Wiederverbindung“ bekannt ist.

Die neue Studie legt jedoch einen anderen Mechanismus nahe, der mit der Störung des spiralförmigen Magnetfelds zusammenhängt, das durch das rotierende supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum aktiver Galaxien erzeugt wird.

„Wir wussten, dass diese Felder instabil werden können“, sagte Hauptautor Paulo Alves, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Fiúza. „Aber was genau passiert, wenn die Magnetfelder verzerrt werden, und könnte dieser Prozess erklären, wie die Teilchen in diesen Jets enorme Energie gewinnen? Das wollten wir in unserer Studie herausfinden.“

Tangled magnetic fields power cosmic particle accelerators

Zusammengesetztes Bild der aktiven Galaxie Centaurus A, das Lappen und Jets zeigt, die sich Millionen von Lichtjahren in den Weltraum erstrecken. (Optisch: ESO/WFI; Submillimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.; Röntgen: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.)

Zu diesem Zweck simulierten die Forscher die Bewegungen von bis zu 550 Milliarden Teilchen – einer Miniaturversion eines kosmischen Jets – auf dem Mira-Supercomputer in der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) am Argonne National Laboratory des DOE. Anschließend übertrugen sie ihre Ergebnisse auf kosmische Dimensionen und verglichen sie mit astrophysikalischen Beobachtungen.

Von verschlungenen Feldlinien bis hin zu hochenergetischen Teilchen

Die Simulationen zeigten, dass bei starker Verzerrung des helikalen Magnetfelds die magnetischen Feldlinien stark verwickelt werden und im Inneren des Jets ein großes elektrisches Feld entsteht. Diese Anordnung elektrischer und magnetischer Felder kann tatsächlich Elektronen und Protonen effizient auf extreme Energien beschleunigen. Während hochenergetische Elektronen ihre Energie in Form von Röntgen- und Gammastrahlen abstrahlen, können Protonen dem Strahl in den Weltraum entkommen und als kosmische Strahlung die Erdatmosphäre erreichen.

„Wir sehen, dass ein großer Teil der dabei freigesetzten magnetischen Energie in hochenergetische Teilchen übergeht, und der Beschleunigungsmechanismus kann sowohl die hochenergetische Strahlung, die von aktiven Galaxien ausgeht, als auch die höchsten beobachteten Energien der kosmischen Strahlung erklären“, sagte Alves .

Roger Blandford, ein Experte für die Physik Schwarzer Löcher und ehemaliger Direktor des Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) der SLAC/Stanford University, der nicht an der Studie beteiligt war, sagte: „Diese sorgfältige Analyse identifiziert viele überraschende Details dessen, was passiert.“ unter Bedingungen, von denen angenommen wird, dass sie in fernen Jets herrschen, und könnte zur Erklärung einiger bemerkenswerter astrophysikalischer Beobachtungen beitragen.“

Tangled magnetic fields power cosmic particle accelerators

In Simulationen einer Miniaturversion eines kosmischen Jets haben SLAC-Forscher herausgefunden, dass bei starker Verzerrung des spiralförmigen Magnetfelds des Jets (links) die magnetischen Feldlinien stark verwickelt werden (Mitte) und ein großes elektrisches Feld (rechts) im Inneren erzeugen Jet, der Elektronen und Protonen effizient auf extreme Energien beschleunigen kann. (arXiv:1810.05154v1)

Als nächstes wollen die Forscher ihre Arbeit noch stärker mit tatsächlichen Beobachtungen verknüpfen, indem sie beispielsweise untersuchen, warum die Strahlung kosmischer Jets im Laufe der Zeit schnell schwankt. Sie beabsichtigen außerdem, Laboruntersuchungen durchzuführen, um festzustellen, ob der in dieser Studie vorgeschlagene Mechanismus auch Störungen und Teilchenbeschleunigung in Fusionsplasmen verursachen könnte.

Diese Arbeit wurde auch von Jonathan Zrake mitverfasst, einem ehemaligen Kavli Fellow am KIPAC, der jetzt an der Columbia University ist. Das Projekt wurde vom DOE Office of Science durch sein Early Career Research Program und einen ALCC-Preis für Simulationen auf dem Mira-Hochleistungscomputer unterstützt. ALCF ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science.

John Israel

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