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TU Berlin

Arbeitsgruppe SMART: Simulation und Modellierung Astrophysikalischer Rekonnexion und Turbulenz

Turbulenter Zerfall eines Elektronenstrahls – Vlasov-code Simulation.

Die Gruppe SMART erforscht die explosive Energiefreisetzung im Weltall durch magnetische Rekonnexion und Turbulenz, ihre Folgen für kosmische Strukturbildung, Plasmaheizung und die Beschleunigung kosmischer Teilchen auf hohe Energien. Beispiele sind stellare und solare Eruptionen, koronale Massenauswürfe, magnetische Stürme auf der Sonne und in Planetenmagnetosphären, Phänomene des Weltraumwetters, die Heizung der Koronae der Sonne und anderer Sterne, die Beschleunigung des Sonnenwindes und anderer stellarer Winde, die explosive magnetische Rekonnexion in Laborexperimenten.

Für unsere Untersuchungen nutzen wir voll-kinetische, hybride und Flüssigkeits- Plasmamodelle und numerische Simulationen. Abbildung 1 zeigt das Ergebnis einer frühen eindimensionalen Vlasov-Code Simulation der kinetischen Plasmaturbulenz im Zerfall eines Elektronenstrahls, die wir derzeit mit Hilfe dreidimensionaler Codes auf Supercomputern erforschen (siehe die aktuelle Projektliste unten). Abbildung 2 illustriert dreidimensionale Rekonnexionsstrukturen, die sich in der Sonnenatmosphäre vor Eruptionen entwickeln – simuliert mit Hilfe unseres GOEMHD3 Magnetflüssigkeitscodes.

 Millionen Grad Kelvin, mehr als das Hundertfache der Oberflächentemperatur der Sonne).
Abbildung 2: Dreidimensionale magnetische Rekonnexion in der Sonnenatmosphäre: Quadrupolare Magnetfelder erzeugen heiße Zonen in der korona (Temperatur: Millionen Grad Kelvin, mehr als das Hundertfache der Oberflächentemperatur der Sonne).
Lupe

Abbildung 3 zeigt das mit Hilfe unseren kinetischen Codes GISMO simulierte Rekonnexions-Magnetfeld, vor mehr als 20 Jahren erstmals mit Hilfe unseres kinetischen PIC-Codes GISMO erhalten – damals noch unter Annahme künstlicher Modellparameter. Durch die Nutzung moderner Supercomputer werden heutzutage realistischere Simulationen möglich – siehe die Projektliste unten.

Dreidimensionale magnetische Rekonnexion auf kinetischen Skalen. Die Abbildung zeigt das Magnetfeld wie wir es in ersten kinetischen numerischen  Simulationen der Rekonnexion 1998 erhielten.
Abbildung 3: Dreidimensionale magnetische Rekonnexion auf kinetischen Skalen.
Die Abbildung zeigt das Magnetfeld wie wir es in ersten kinetischen numerischen Simulationen der Rekonnexion 1998 erhielten.
Lupe

Die theoretischen Untersuchungen der Gruppe stehen in einem engen Verhältnis zu den Ergebnissen von astrophysikalischen Beobachtungen und Weltraumexperimenten. Von besonderer Bedeutung ist die internationale Kooperation der Gruppe, unter anderem im Rahmen des Max-Planck-Princeton Zentrums für Plasmaphysik mit dem MRX und FLARE Experimenten in Princeton und VINETA.II in Greifswald. Diese Laborexperimente ermöglichen eine Verifikation unserer Rekonnexions- und Turbulenztheorien, unsere numerischen Simulationen ihre Extrapolation auf die Plasmen des Sonnensystems, stellare und galaktische Plasmaprozesse wie die Wechselwirkung extrasolarer Planeten mit ihren Sternen und die Dynamik des Interstellaren Mediums (ISM).

Forschungsprojekte:

 Gruppenmitglieder:

  • Prof. Dr. Jörg Büchner, Gruppenleiter (buechnertu-berlinde, Homepage)
  • Dr. Neeraj Jain (neerajjaintu-berlinde)
  • Dr. Patricio Muñoz (munozsepulvedatu-berlinde)

Doktoranden:

  • Xin Yao 

Wissenschaftliche Zusammenarbeit (alphabetisch):

  • Dr. Miroslav Bárta (Ondřejov Observatory of the Czech Academy of Sciences, Czech Republic)
  • Prof. Gwangson Choe (Kyung Hee University, Yongin, Korea)
  • Prof. Dr. Olaf Grulke (MPI for Plasma Physics, Greifswald, Germany)
  • Prof. Michael Hesse (University of Bergen, Norway)
  • Prof. Masahiro Hoshino (University of Tokyo, Japan)
  • Dr. Satoshi Inoue (University Nagoya, Japan)
  • Prof. Dr. Frank Jenko (MPI for Plasma Physics, Garching, Germany)
  • Prof. Hantao Ji (Princeton University, U.S.A.)
  • Dr. Patrick Kilian (Los Alamos National Laboratory, U.S.A.)
  • Prof. Siming Liu (Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, China)
  • Prof. Dr. Uwe Motschmann (Technical University Braunschweig, Germany)
  • Prof. Antonius Otto (University of Fairbanks, Alaska, U.S.A.)
  • Prof. Jean Carlo Santos (University Curitiba, Brasilien)
  • Prof. Felix Spanier (North-West University, Potchefstroom, South Africa)
  • Dr. Shangbin Yang (National Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China)
  • Prof. Nobumitsu Yokoi (University of Tokyo, Japan)
  • Dr. Xiaowei Zhou (Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, China)

 

DFG-finanzierte Projekte:

 

Ionen-Skalen Stromschichtinstabilitäten in kinetischer Plasmaturbulenz (2018-)

Diagnostik der Elektronenbeschleunigung durch schnelle magnetischer Rekonnexion in der Sonnenkorona durch kohärente Radiostrahlung (Deutsch-chinesische Zusammenarbeit, 2018-)

 

Teamleitung am Internationalen Weltarunsforschungsinstituts ISSI (Bern):

 

 

 

Zusatzinformationen / Extras