Energietransport in diffusen astrophysikalischen Plasmen

• Antragsteller: Dr. Philipp Grete
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555983577

Magnetfelder werden überall im Universum beobachtet und beeinflussen die Dynamik in vielen astrophysikalischen System auch dort wo sie schwach sind. Dies trifft auch auf Systeme mit diffusen, astrophysikalischen Plasmen zu, wie beispielsweise das heiße Gas in Galaxienhaufen oder in den Atmosphären von Galaxien. Darüber hinaus werden die Systeme von mehrskaligen Prozessen (z.B., die turbulente Energiekaskade), mehreren Phasen (z.B., kaltes, kompaktes Plasma, welches sich in einem heißen, potentiell turbulenten Medium bewegt) und verschiedener Physik (z.B., Interaktion von aktiven Galaxienkernen mit ihrer Umgebung) beeinflusst. In den letzten Jahrzehnten wurden sowohl durch Beobachtungen als auch in der Theorie große Fortschritte gemacht diese Prozesse besser zu verstehen. Dennoch bleiben viele Fragen gerade im Hinblick auf den detaillierten Energietransport und die Wechselwirkungen zwischen den Prozessen unbeantwortet. Im Rahmen dieses Projekts werde ich folgende Fragestellungen untersuchen: (i) Existiert ein (universelles) asymptotisches Regime in magnetohydrodynamischer (MHD) Turbulenz, (ii) wie verhält sich der Energietransport in einem mehrphasigen, von Magnetfeldern durchsetzten Medium, (iii) welche Spuren hinterlassen mehrphasige Wechselwirkungen in MHD Turbulenz in Beobachtungen, und (iv) wie gut beschreiben idealisierte Simulationen die Dynamik in komplexeren Systemen und Beobachtungen? Diese Fragen sind in vielen astrophysikalischen Systemen relevant und im Rahmen dieses Projekts werde ich mich zunächst auf Galaxienhaufen konzentrieren. Dazu werde ich (mehrphasige) MHD Turbulenz mit AthenaPK simulieren – einem quelloffenen Gemeinschaftscode, welcher auf allen Exascale-Supercomputern funktioniert. Ebenso werde ich ein existierendes Framework zur Berechnung des Energietransports erweitern, so dass es mehrphasige Plasmen unterstützt. Letzteres werde ich dann zur Auswertung von Simulationsdaten einsetzen, u.A. die aktuell größten Simulationen von MHD Turbulenz und isolierten Galaxienhaufen. Darüber hinaus werde ich synthetische Beobachtungen der Simulationen im Röntgen- und Radioband durchführen und mit Beobachtungen vergleichen. Dieses Projekt wird drei Kernergebnisse liefern: Erstens werden die analytischen Ergebnisse eine detaillierte Beschreibung des Energietransports in diffusen, astrophysikalischen Plasmen liefern und die bisherige Beschreibung einerseits um den Einfluss von mehrphasigen Strömungen und andererseits im asymptotischen Bereich erweitern. Zweitens wird der Vergleich von synthetischen mit echten Beobachtungen und von idealisierten und realistischeren Simulationen helfen die Eigenschaften von Plasmen besser zu bestimmen, da mehr Wechselwirkungen mit betrachtet werden können. Drittens werden die Erfahrungen der Codeentwicklung für Exascale-Systeme und das Bereitstellen des Codes als quelloffene Software die Hürden für die Nutzung von Supercomputern von anderen Gruppen (auch über die Astrophysik hinaus) verringern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen