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Theoretische Weltraum- und Astrophysik
Plasmaphysik
Plasmen sind teilweise oder vollständig ionisierte Gase, deren Dichte- und
Temperaturbereiche sich über mehrere Grössenordnungen erstrecken (siehe Abbildung 1).
Abb. 1: Typische Dichte- und Temperaturbereiche für kosmische und
terrestrische Plasmen.
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In Hochtemperaturplasmen, wie sie oft in der Weltraum- und Astrophysik
anzutreffen sind, sind die meisten, das Plasma konstituierende Teilchen von einfacher
Natur, nämlich einzelne Elektronen und positiv geladene Ionen. Erst in den
letzten Jahren hat sich ein tiefergehendes Verständnis von
Niedertemperaturplasmen mit komplizierterer Zusammensetzung entwickelt. Dies
ist motiviert durch das wachsende Interesse an sogenannten Staubplasmen, die
in vielen kosmischen als auch terrestrischen Szenarien auftreten:
Sternentstehung, planetare Ringsysteme (siehe Abb. 2) oder
Mikrochipherstellung, erfordern alle ein Verständnis des Einflusses einer
Staubkomponente im Plasma auf dessen Verhalten.
Die involvierten Prozesse werden im Rahmen der Physik von
Mehrkomponentenplasmen, für die Stösse gegebenenfalls nicht
vernachlässigt werden können, der Oberflächenphysik oder der Physik der
kondensierten Materie behandelt.
Neuere Experimente haben gezeigt, dass in Plasmen eingebettete Staubteilchen
negativ geladen sind und eine Tendenz zu Dampf-Flüssigkeits-Phasenübergängen
und auch der Bildung von Kristallstrukturen zu haben (siehe Abb. 3).
Abb. 2: Plasmaumgebungen mit einer nicht
vernachlässigbaren Staubkomponente: Das Sternenstehungsgebiet NGC 2024,
die Saturnringe.
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Die Bildung solcher regelmässigen Anordnungen ist angesichts der gleichen
Ladung der Staubteilchen verblüffend und schwer verständlich. Gegenwärtig vermutet man die Ursache in kollektiven Effekten,
wie z.B. Staub-Schallwellen oder Staub-Gitterwellen, die
eine grosse Anzahl von Teilchen zwingen sich in
kohärenter, gleicher Weise zu verhalten. Diese Effekte zeigen Ähnlichkeit
zur Bildung von sogannten Cooper-Paaren, also Elektronenpaaren beim Phänomen
der Supraleitung, sind aber durchaus noch nicht im Detail verstanden, bleiben
also aktueller Forschungsgegenstand.
Abb. 3: Beispiel der dreidimensionalen Struktur eines
kristallisierten Staubplasmas.
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Neben diesen durch Wellen bedingten Phänomenen wird am Lehrstuhl auch die
Physik von Plasmawellen und deren Wechselwirkung mit den Plasmakonstituenten
behandelt. Die sogenannten Transportparameter in einem Plasma, die z.B. die
Diffusion der Teilchen im Orts- und Impulsraum bestimmen, sind entscheidend
von der Zusammensetzung der Wellenfelder abhängig. Umgekehrt wirkt aber das
kollektive Teilchenverhalten auch zurück auf die Wellenfelder.
Um das in vieler Hinsicht komplexe Problem einer vollständig konsistenten
Beschreibung zunächst zu umgehen, wird die Welle-Teilchen-Wechselwirkung
im Testteilchen- bzw. im Testwellenbild untersucht.
Die Testteilchenrechnungen, bei denen die Rückwirkung der Teilchen auf die
Wellen vernachlässigt wird, zeigen, dass für viele Szenarien in der
Weltraum- und Astrophysik eine möglichst genaue Kenntnis der im Plasma
existierenden Wellenmoden wichtig ist, um das Verhalten der Teilchenpopulationen
im Phasenraum zu verstehen. Die Testwellenrechnungen hingegen demonstrieren
die Wichtigkeit einer korrekten speziell-relativistischen Behandlung der
Wellenanregung, -ausbreitung und -dämpfung.
Diese teils analytischen, teils numerischen Rechnungen werden zunächst
allgemein, d.h. nicht allein im Hinblick auf ihre Anwendung auf kosmische
Plasmen entwickelt. Auf diese Weise bleiben die daraufhin formulierten
Modelle überprüfbar, denn sie sollten in vielen Aspekten nicht nur
für die einer direkten Beobachtung nicht oder nur sehr schwer zugänglichen
astrophysikalischen bzw. heliosphärischen Plasmen, sondern auch für
Laborplasmen Gültigkeit haben.
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