E5 Astrophysikalische Plasmaphysik

Thema

Das zentrale Element dieses Modells ist das astrophysikalische Plasma, ein vollständig ionisiertes Gas, in dem sich Elektronen und Ionen unter dem Einfluss elektromagnetischer Felder frei bewegen und stets der Lorentzkraft unterliegen.

Die Plasmafrequenz ist die Eigenfrequenz, mit der dieses astrophysikalische Plasma kollektiv schwingt, wenn sich seine Elektronen an den Ionen vorbeibewegen und wieder zu ihnen zurückkehren. Fällt die Eigenfrequenz einer Strahlung unter diese Plasmafrequenz, kann sich diese Strahlung nicht durch das Plasma ausbreiten. Das Plasma selbst wirkt somit als Schutzschild und blockiert jegliche Strahlung mit extrem niedriger Frequenz.

Der Larmorradius bestimmt innerhalb dieses astrophysikalischen Plasmas, wie stark die Bahn eines geladenen Teilchens beim Durchgang durch ein Magnetfeld gekrümmt wird: Kosmische Strahlung beispielsweise weist innerhalb des Magnetfelds der Galaxie selbst Krümmungsradien in der Größenordnung eines Parsec auf. Die Tatsache, dass der Larmorradius die Krümmung jeder Flugbahn bestimmt, bedeutet, dass das Magnetfeld der Galaxie letztendlich jedem einzelnen Teilchen die exakte Form vorgibt, die es beim Durchgang durch das Plasma beschreibt.

Die Debye-Länge ist die Skala, auf der dasselbe Plasma eine externe Ladung abschirmen kann: Auf Skalen oberhalb der Debye-Länge verhält sich das Plasma, als wäre es als Ganzes elektrisch neutral, während auf kleineren Skalen die einzelnen Ladungen seiner Elektronen und Ionen noch voneinander unterscheidbar sind. Die Tatsache, dass die Debye-Länge diese beiden Verhaltensweisen trennt, bedeutet, dass sich dasselbe astrophysikalische Plasma, abhängig von der beobachteten Skala, entweder wie ein neutrales Medium oder wie eine Ansammlung perfekt unterscheidbarer Einzelladungen verhalten kann.

Die Zyklotronfrequenz ist die Rotationsfrequenz eines geladenen Teilchens um die Magnetfeldlinien, die das Plasma durchdringen. Sie bewirkt, dass Zyklotronstrahlung – oder im relativistischen Grenzfall Synchrotronstrahlung – genau bei Vielfachen dieser Rotationsfrequenz auftritt. Somit bedeutet die Physik des astrophysikalischen Plasmas, ausgehend vom astrophysikalischen Plasma, mit dem dieses Dokument beginnt, bis hin zur Zyklotron- und Synchrotronstrahlung, mit der es endet, unter Berücksichtigung der Plasmafrequenz, des Larmorradius und der Debye-Länge, dass dasselbe ionisierte Gas je nach Skala, Frequenz oder Magnetfeld, mit dem es gemessen wird, unterschiedlich reagiert.

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