Von einem Plasma spricht man immer dann, wenn die Atome oder Moleküle eines Gases eines oder mehrere Elektronen abgegeben haben und dadurch ionisiert sind. Gleichzeitig bewegen sich die abgegebenen Elektronen ungebunden zwischen diesen Ionen umher. Der Energiegehalt der verschiedenen geladenen Teilchen bestimmt, ob ein Plasma extrem heiß ist wie beispielsweise in der Korona der Sonne, oder aber eher kühl wie die Plasmen in Leuchtstoffröhren. Besonders heiß und energiereich ist ein Plasma dann, wenn beide Teilchensorten im thermischen Gleichgewicht stehen und stark beschleunigt sind. Wie jedoch die Heizung verschiedener kosmischer Plasma-Varianten im Einzelnen funktioniert, ist bislang nur in Teilen geklärt.
Wie ein Surfer auf der Welle
Einer bereits 1946 aufgestellten Theorie nach ist die sogenannte Landau-Dämpfung entscheidend an der Aufheizung von Plasma im Sonnenwind beteiligt. Diesem vom russischen Physiker Lew Landau aufgestellten Prinzip zufolge können die Wellen elektromagnetischer Felder im Plasma Energie an die Plasmateilchen abgeben und diese so beschleunigen. Die Welle wird im Gegenzug durch diesen Energieverlust gedämpft. Dieser Prozess erklärt damit, dass schon Turbulenzen im Plasma ausreichen können, um dessen Teilchen aufzuheizen. “Wenn sich Elektronen mit genau der richtigen Geschwindigkeit mit den durch das Plasma ziehenden Wellen mitbewegen, können sie von diesen beschleunigt werden – wie ein Surfer von einer Welle mitgerissen wird”, erklärt Co-Autor Greg Howes von der Queen Mary University of London.
Das Problem jedoch: Zwar konnte die Landau-Dämpfung bisher bei einfachen, relativ einfachen Plasmen nachgewiesen werden, nicht aber im hochgradig turbulenten und komplexen Plasma des Sonnenwinds und anderen kosmischen Plasmavarianten. Genau ist nun jedoch Howes, seinem Kollegen und Erstautor Christopher Chen und ihrem Team gelungen. Für ihre Studie hatten sie Daten der Magnetospheric Multi-Scale (MMS) Mission der NASA ausgewertet. Diese besteht aus vier Raumsonden, die die Erde auf einer stark elliptischen Umlaufbahn umkreisen und mithilfe langer Antennen magnetische und elektrische Felder im Sonnenwind und der Magnetsphäre der Erde messen.
Nachweis geglückt
Durch die Kombination mit einer speziellen Analysetechnik gelang es den Wissenschaftlern, diesen Daten Indizien für die Landau-Dämpfung im Plasma des Sonnenwinds zu entlocken. “Wir haben damit die erste direkte Messung der Prozesse durchgeführt, die der turbulenten Heizung von natürlich vorkommenden astrophysikalischen Plasmen zugrunde liegen”, sagt Chen. Damit ist nun klar, dass die Teilchen des Sonnenwinds zumindest einen Teil ihrer Energie durch die Turbulenzen dieses Stroms geladener Teilchen erhalten. “Diese Turbulenzen übertragen Energie an die Partikel im Plasma und führen so zur Aufheizung und Energetisierung”, erklärt Chen.
