Imitation von Quellen astrophysikalischer Kosmischen Strahlung mit Laborplasmen

• Antragsteller: Dr. Patrick Reichherzer
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518672034

Hochenergetische Teilchen bombardieren ständig die Erde. Geladene, relativistische Teilchen, die als kosmische Strahlung bezeichnet werden, werden auf ihrem Weg durch das magnetisierte Universum zur Erde abgelenkt. Diese Eigenschaft der kosmischen Strahlung verbirgt ihren Ursprung bis heute. Die Bedeutung der kosmischen Strahlung in astrophysikalischen Systemen aller Größenordnungen ist ausführlich untersucht worden, von Planetensystemen bis hin zum interstellaren Medium und Galaxienhaufen. Auf der Erde können wir den Einfluss der kosmischen Strahlung durch Polarlichter beobachten. Hier ionisiert die kosmische Strahlung die Bestandteile der Atmosphäre, die sichtbares Licht emittieren. Trotz jahrzehntelanger Forschung an analytischen Theorien, numerischen Simulationen und indirekten Beobachtungen haben wir das Rätsel um den Ursprung der kosmischen Strahlung noch immer nicht entschlüsselt. Um weitere Fortschritte zu erzielen, hat die Gruppe aus Oxford, mit der ich zusammenarbeiten werde, kürzlich zum ersten Mal den Transport von der kosmischen Strahlung durch das intergalaktische Medium in einem Laborexperiment imitiert (Chen et al. 2020). Dabei kamen leistungsstarke Lasersysteme zum Einsatz, die die Dynamik des Universums ins Labor übertragen. Dies war ein Meilenstein bei der Verankerung der Laborphysik als neue Säule neben analytischen Theorien, numerischen Simulationen und Beobachtungen. Das Hauptziel meines Projekts besteht darin, die Signaturen des Zusammenspiels zwischen magnetisierten, turbulenten Plasmen und der kosmischen Strahlung in ihren potenziellen Quellen zu untersuchen. Hierzu werden wir spezielle Laborexperimente durchführen. In dem vorgeschlagenen Projekt werde ich mich mit geladenen Teilchen beschäftigen, die einer stärkeren Magnetfeldstärke mit einer zusätzlichen geordneten Komponente ausgesetzt sind. Dieser neuartige Aufbau imitiert den Transport von der kosmischen Strahlung in astrophysikalischen Quellen und liefert eine statistische Beschreibung der Transporteigenschaften. Ich werde diese statistischen Eigenschaften in numerische astrophysikalische Simulationen einfließen lassen. Die Modellierung der Erzeugung von Multimessenger-Signalen durch die Wechselwirkung von der kosmischen Strahlung mit Photonen und Materie sowie Magnetfeldern in den Quellregionen ermöglicht den direkten Vergleich zu Beobachtungen. Um die Ziele dieses interdisziplinären Antrags zu erreichen, benötige ich das außergewöhnliche Umfeld inmitten der Expertise in Plasma-, Labor-, Astroteilchen- und Astrophysik, die in der Forschungslandschaft von Oxford vorhanden ist. Indem ich meine Erfahrungen mit theoretischen und numerischen Untersuchungen des Transports der kosmischen Strahlung mit den einzigartigen Möglichkeiten von Laborexperimenten kombiniere, werde ich deren Zusammenspiel in der weltweit führenden Forschungsumgebung von Oxford nutzen, um der Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung nachgehen zu können.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Gianluca Gregori