06:21 03 Dezember 2020
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    Ein Plasma, das mit dem Stoff aus dem Umfeld des Schwarzen Lochs identisch ist, ist erstmals von einer internationalen Gruppe von Forschern von der University Osaka, der Nationalen Universität für Nuklearforschung MEPhI in Russland und der Universität Bordeaux gewonnen worden.

    Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift “Physical Review E” veröffentlicht.

    Die Analyse der Röntgenstrahlung von Weltraumobjekten ist eine der wichtigsten Methoden der Astrophysik. Zu den Weltraumobjekten mit einer starken Röntgenstrahlung gehören laut MEPhI-Wissenschaftlern Akkretionsscheiben der Schwarzen Löcher – ein Stoff, der auf das Loch fällt und bis zum Zustand eines Plasmas erhitzt ist.

    Eine kleine Menge Plasma mit Eigenschaften, die dem Stoff der Akkretionsscheibe identisch sind, wurde erstmals in einem Labor von einem Forscherteam unter Beteiligung der MEPhI-Spezialisten gewonnen.

    „Astrophysik galt lange als Angelegenheit von Beobachtern, da die zu erforschenden Erscheinungen kaum zu beeinflussen, geschweige denn zu gewinnen sind. Die Einmaligkeit unseres Experimentes besteht darin, dass die Parameter des gewonnenen Plasmas nicht maßstabsgetreu werden müssen, sie entsprechen den Parametern eines Plasmas um ein Schwarzes Loch der engen Doppelsysteme wie Cygnus X-1“, so der Dozent des Instituts für Laser- und Plasma-Technologien von MEPhI, Philipp Kornejew.

    Der Hauptfaktor bei der Bildung der Röntgenquellen eines solchen Typs ist den Wissenschaftlern zufolge ein starkes Magnetfeld, dessen Induktion bis zu einigen Tausend Tesla ausmacht. Das Ziel des Experiments war es, die Methode der Schaffung solcher Magnetfelder im Plasma zu prüfen, die zusammen von Wissenschaftlern des Instituts für Laser- und Plasma-Technologien von MEPhI und des CELIA-Labors der Universität Bordeaux entwickelt wurde.

    Bekanntgabe von Physiknobelpreisträger in Stockholm, 6. Oktober 2020
    © REUTERS / TT News Agency / Fredrik Sandberg
    „Die Erfahrung zeigte, dass unsere Methode nicht nur überhohe quasistationäre Magnetfelder mit einer Rekordgröße schaffen, sondern auch den Zustand der im Inneren entstehenden Plasmas mit hoher Dichte der Stoffenergie und elektromagnetischen Energie modellieren lässt, was in der modernen Labor-Astrophysik gefragt ist“, sagte Kornejew.

    Die Idee der Methode basiert laut Wissenschaftlern auf dem Effekt der Widerspiegelung eines starken Laserstrahls entlang einer spiralförmigen Oberfläche der Zielscheibe. Als Zielscheibe wurde ein zusammengerolltes Stück dünner Folie mit einem Durchmesser von einigen hundert Mikron genutzt. Ein Laserimpuls mit der Energie von rund 330 J und einer Dauer von einer Pikosekunde wurde in der Zielscheibe fast vollständig aufgeschluckt, indem drinnen ein relativistisches Plasma und ein Magnetfeld mit Induktion von mehr als  2000 Tesla geschaffen wurden.

    „Da ein ziemlich starker Laser auf der Zielscheibe mit einer so geringer Dauer fokussiert war, nur 10-12 Sekunden, erwies sich die Stärke des Impulses rund um das 20-fache höher als die verbrauchende Kapazität der ganzen Energie der Erde. Im Ergebnis bildete sich innerhalb einiger Pikosekunden in der Zielscheibe ein Plasma mit der Temperatur von Milliarden Grad, mit der Dichte von 1018 Teilchen/cm3 und eingefrorenem Magnetfeld von mehr als 2000 Tesla, was den Plasma-Parametern in einem aktiven Bereich der Röntgen-Quellen entspricht“, sagte Kornejew.

    Die gewonnene Menge des heißen, stark magnetisierten Plasmas war ziemlich groß, um über wichtigste Eigenschaften eines vollständigen astrophysischen Systems zu verfügen, so die Wissenschaftler. Ihnen zufolge wurde das durch die Geometrie des Experiments gefördert – im Plasma waren die Magnetfelder zueinander gerichtet, damit kam es im Bereich der Berührung der entgegenkommenden Magnetlinien zur Annihilation des Magnetfeldes, die zur Entstehung eines Teilchenstroms mit einer Geschwindigkeit, die der Lichtgeschwindigkeit nahe ist, führte.

    Die neue Methode zur Schaffung extrastarker Magnetfelder wird ebenfalls in der Zukunft ermöglichen, die Technik zur Schaffung der gerichteten Teilchenbündel zu vervollkommnen, indem sie präziser und stärker gemacht wird. Solche Geräte werden aktiv in der experimentellen Wissenschaft, Medizin sowie in Sicherheitssystemen genutzt.

    Die Studie wurde von einer internationalen Gruppe unter Teilnahme von Wissenschaftlern aus Japan (Osaka University), Frankreich (Universität Bordeaux), Deutschland und Russland durchgeführt. Das Experiment wurde in der Laseranlage LFEX am Institut für Laserengineering der Osaka University (Japan) durchgeführt.

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    Tags:
    Wissenschaftler, Magnetfelder, Nationale Universität für Nuklearforschung (MEPhi), Astrophysik, Schwarzes Loch