Kosmische Stromschichten: Struktur, Stabilität und Evolution

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Büchner
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426192610

In den heißen und verdünnten, stoßfreien Plasmen des Universums sind Stromschichten (CS) die Stellen, an denen akkumulierte magnetische Energie freigesetzt wird, oft explosionsartig durch Rekonnexion, was zu Plasmaheizung, Plasma-Massen- und Teilchenbeschleunigung führt. Daher sind CS neben Stoßwellen die wichtigsten Orte der Energiefreisetzung in astrophysikalischer Plasmen. Eine Reihe entscheidender Fragen zur Struktur, Stabilität und Entwicklung astrophysikalischer CS ist jedoch ungelöst, weil die meisten astrophysikalischen CS für direkte Beobachtungen unerreichbar sind. Glücklicherweise können kosmische CS in situ in der Heliosphäre untersucht werden, z. in planetaren Magnetschweifs und im Sonnenwind. Diese Untersuchungen ergaben kürzlich CS-Strukturen auf mehreren Skalen aufgrund von Ionen, die schwerer als Protonen sind, von anisotropen Geschwindigkeitsraumverteilungen der Teilchen und durch Turbulenzen bis hin zu den kleinsten, den Elektronen-Skalen. Wir planen systematische Analysen dieser Eigenschaften von CS in drei planetaren Magnetschweifs (von Erde, Mars und Merkur) und im Sonnenwind. Dazu planen wir, die Fülle der vorhandenen Satellitendaten aus einem einheitlichen Blickwinkel zu betrachten, der auf Modellen der CS-Struktur, der Stabilität und der Energiefreisetzung durch sie beruht wie wir sie unter Berücksichtigung der Beobachtungsergebnisse zu Ionen, schwerer als Protonen, anisotroper Verteilungsfunktionen und Turbulenzen entwickeln werden. Unsere vergleichenden Untersuchungen berücksichtigen, dass, obwohl die absoluten Parameter, die CS in Weltraumplasmen charakterisieren, sich über einen weiten Bereich unterscheiden, die auf die Plasmabedingungen normierten physikalisch relevanten Größen ähnliche physikalische Bedingungen indizieren. Dazu werden wir Multi-Satelliten Beobachtungen im Magnetschweif der Erde (CLUSTER auf Ionenskalen, MMS auf Elektronenskalen) verwenden. Für die Untersuchung von CS im Magnetscheif des Mars werden MAVEN-Beobachtungen verwendet, für den Merkur-Magnetschweif die von MESSENGER, für CS im Sonnenwind die Heliosphären-Satelliten STEREO A und B, WIND, ACE, ULYSSES, HELIOS 1 und 2, CASSINI, VOYAGER 1 und 2. Wir werden analytische Modelle der CS-Struktur in Abhängigkeit von den beobachteten Umgebungsbedingungen entwickeln und anwenden, deren Stabilität theoretisch und mittels numerischer Simulationen untersuchen, die nichtlinearen Konsequenzen der Entwicklung der instabilen Strukturen sowie der Rekonnexion durch sie hindurch mithilfe von Testteilchenrechnungen untersuchen sowie durch numerische Simulationen mit Hilfe Hybrid-kinetischer und PIC-Teilchencodes. Wir werden die abgeleiteten Eigenschaften von mehr-Skalen CS-Strukturen, die Auswirkungen schwerer Ionen, von anisotropen Verteilungen und Turbulenz sowie von Verteilungen und Spektren energiereicher Teilchen mit den Ergebnissen der Weltraumbeobachtungen verifizieren, um Schlussfolgerungen für entfernte astrophysikalische CS ziehen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Dieter Breitschwerdt
• Kooperationspartner: Professor Dr. Lev Zelenyi, bis 3/2022