Das Universum ist von energetischen Teilchen - Elektronen und
ionisierten Atomen - erfüllt, die es mit
Geschwindigkeiten sehr nahe der Lichtgeschwindigkeit
durchlaufen. Die Herkunft dieser
als
Kosmische Strahlung
bekannten Teilchen ist eines der fundamentalen und weiterhin
ungelösten Probleme der modernen Astrophysik.
Dieses sog. Plasma aus geladenen Teilchen ist ein sehr
dünnes Medium: Jedes dieser Teilchen trägt eine sehr
hohe Energie, ihre Gesamtzahl jedoch ist klein. Pro
Volumenelement beinhaltet die Kosmische Strahlung genauso viel
Energie wie das interstellare Gas, das galaktische Magnetfeld
und das gesamte Licht der Galaxie. Die Prozesse, die die
energetische und räumliche Verteilung der Kosmischen
Strahlung festlegen, sind grundlegend verschieden von denen,
die gewöhnliche Gase auf der Erde determinieren, da sie
beinahe ausschließlich durch elektrische und magnetische
Feldkonstellationen bestimmt sind. Die meisten terrestrischen
Gase sind thermisch dominiert, d.h. die Gesamtenergie des
Gases ist recht gleichmäßig auf die Atome und
Moleküle verteilt. Im Gegensatz dazu ist die
Materieverteilung im Universum häufig fern von diesem
Gleichgewichtszustand. Die Natur jedoch versieht einige wenige
Teilchen interstellarer und intergalaktischer Plasmen mit
extrem viel Energie. Es findet eine durch die Wechselwirkung
von Teilchen mit elektromagnetischen Feldern bedingte,
fundamentale Selbstorganisation des Plasmas statt, die eine
Einteilung letzteres in drei Komponenten nahe legt: ein kaltes
bzw. warmes Gas, das den wesentlichen Teil der Masse in sich
vereint, Kosmische Strahlen mit über einen sehr
großen Bereich verteilten Energien, sowie ein
turbulentes Magnetfeld, das die beiden erstgenannten
Komponenten miteinander koppelt. Warum aber erzeugt die Natur
Kosmische Strahlung? Was ist das Schicksal des turbulenten
Magnetfeldes? Generieren Wechselwirkungen der Kosmischen
Strahlung die großskaligen Magnetfelder, die das
Universum durchdringen?
Es scheint, dass effektive Beschleunigung Kosmischer Strahlung
in Systemen mit mehr oder weniger schnellen
Materieausflüssen vorkommt, in denen ein Teil der
kinetischen Energie der Fließbewegung auf die Kosmische
Strahlung übertragen wird. Eine dieser Szenarien sind
schalenförmige Supernovaüberreste
(
engl.: Supernova
Remnants (SNR)), in denen das Auftreffen der Materie eines
explodierenden Sterns auf das umgebende Gas eine Schockfront
produzieren kann. Die Abbildung zeigt eine optische Aufnahme
des Krebsnebels, der das Produkt einer Supernovaexplosion im
Jahr 1054 n.Chr. ist. Aufgrund der Ausflussenergie dieser
Objekte und der Supernovarate wird seit langem angenommen,
dass Supernovaüberreste Produktionsstätten der
galaktischen Kosmischen Strahlung, einem Teil der gesamten
Kosmischen Strahlung, ist. Die Frage nach der Beschleunigung
Kosmischer Strahlung in Supernovaüberresten ist eng
gekoppelt mit der nach der Erzeugung, Wechselwirkung und
Dämpfung turbulenter Magnetfelder in
nicht-Gleichgewichts-Plasmen. Die physikalischen Vorgänge
in gekoppelten Systemen von Turbulenz, energetischen Teilchen
und kollidierenden Plasmaströmen können am besten in
jungen Supernovaüberresten studiert werden, da die
Bebachtung sowohl von Röntgen-, als auch von
hochenergetischer γ-Strahlung sehr effektive
Teilchenbeschleunigung sowie die Existenz sehr starker,
turbulenter Magnetfelder nahelegt.
In der Arbeitsgruppe betreiben wir sehr intensive numerische
Simulationen, in denen wir den durch elektrische und
magnetische Felder bestimmten Trajektorien einzelner Teilchen
folgen. Direkt vor den Schockfronten von
Supernovaüberresten erwartet man die instabile Situation
der Driftbewegung Kosmischer Strahlung relativ zum ionisierten
interstellaren Medium. Der Film links zeigt
Simulationsergebnisse dieses Szenarios: Der obere Teil stellt
das turbulente Magnetfeld dar, wärend der untere Teil die
Dichte des interstellaren Mediums beschreibt. Anfangs ruht das
interstellare Gas und die Kosmische Strahlung driftet nach
links. Aufällig ist, dass nach einiger Zeit sowohl das
magnetische Feld als auch das interstellare Medium ebenfalls
zu driften scheinen. Am Ende existiert keine Relativbewegung
zwischen der Kosmischen Strahlung und dem interstellaren
Medium mehr und das Magnetfeld ist in einen stationären
Zustand übergegangen. Dieser Sättigungsprozeß
kann nur in kinetischen Simulationen untersucht werden, wie
sie in der Arbeitsgruppe durchgeführt werden.
