Seth Putterman begann aus Gründen der nationalen Sicherheit das Verhalten von Plasma zu untersuchen. Extrem schnelle Hyperschallraketen erhitzen und ionisieren die umgebende Luft und bilden eine Wolke aus geladenen Teilchen namens Plasma, die Funkwellen absorbiert und es den Bedienern am Boden erschwert, mit den Raketen zu kommunizieren – ein Problem, das Putterman zu lösen versuchte. Dann fiel ihm ein: Dieselbe Plasmaphysik gilt auch für unsere Sonne.
Der UCLA-Wissenschaftler und seine Kollegen haben nun das geschaffen, was Putterman „unsere Sonne in einem Glas“ nennt, eine 1,2-Zoll-Glaskugel, die mit Plasma gefüllt ist, die sie verwendet haben, um Prozesse wie diejenigen zu modellieren, die Sonneneruptionen erzeugen. Dies sind explosive Energieausbrüche, die manchmal von der Freisetzung eines Hochgeschwindigkeits-Plasmaklumpens begleitet werden, der Chaos bei Satelliten im Orbit und Stromnetzen am Boden anrichten kann. „Die Schritte, die wir unternehmen, werden die Modellierung beeinflussen, so dass es eine Warnung und Bestimmung von Vorläufern des Weltraumwetters geben kann“, sagt Putterman, der leitende Autor einer Studie in Briefe zur körperlichen Überprüfung ihre Experimente beschreiben.
Die Sonne ist im Grunde ein wirbelndes Inferno aus Plasma, das aus rotierenden, elektrisch geladenen Gaspartikeln besteht – hauptsächlich Elektronen und Wasserstoffatomen, denen ihre Elektronen entzogen wurden. (Stellares Plasma unterscheidet sich ein wenig von dem Plasma niedriger Dichte, das in Tokamak-Fusionsreaktoren verwendet wird.) Forscher haben lange versucht, Sonneneruptionen besser zu verstehen, insbesondere für den Fall, dass ein besonders großer Plasmabrocken auf die Erde geschleudert wird.
Die Experimente des Teams begannen damit, teilweise ionisiertes Schwefelgas in einen Glaskolben zu geben und ihn dann mit niederfrequenten Mikrowellen zu bombardieren – ähnlich der Art, die in einem Mikrowellenherd verwendet wird – um das Gas anzuregen und es auf etwa 5.000 Grad Fahrenheit zu erhitzen. Sie fanden heraus, dass ein 30-kHz-Pulsen der Mikrowellen eine Schallwelle erzeugt, die einen Druck ausübt, der bewirkt, dass sich das heiße Gas zusammenzieht. Dieser Schallwellendruck erzeugt eine Art „akustische Schwerkraft“ und bewirkt, dass sich die Flüssigkeit so bewegt, als befände sie sich im kugelförmigen Schwerefeld der Sonne. (Das Gravitationsfeld des Experiments ist etwa 1.000-mal stärker als das der Erde.) Dadurch wird Plasmakonvektion erzeugt, ein Prozess, bei dem warme Flüssigkeit aufsteigt und kühlere, dichtere Flüssigkeit zum Kern der Glaskugel absinkt. Auf diese Weise war das Team der erste Mensch auf der Erde, der etwas erzeugte, das der kugelförmigen Konvektion ähnelt, die normalerweise im Inneren eines Sterns zu finden ist.
Ihr Projekt wurde zuerst von DARPA, dem fortschrittlichen Forschungsarm des Pentagon, wegen seiner Anwendungen für Hyperschallfahrzeuge finanziert. Dann erhielt es die Unterstützung des Air Force Research Laboratory, da das Weltraumwetter Flugzeuge und Raumfahrzeuge stören kann. Aber Astronomen glauben, dass es uns auch etwas Grundlegendes über das Verhalten der Sonne sagen kann. „Ich denke, die wirkliche Bedeutung besteht darin, mit der Simulation der Sonnenkonvektion im Labor zu beginnen und dadurch einen Einblick in den mysteriösen Sonnenzyklus der Sonne zu erhalten“, sagt Tom Berger, Executive Director des Space Weather Technology, Research, and Education Center an der Universität aus Colorado in Boulder, der nicht an der Studie beteiligt war.
Berger bezieht sich auf einen ungefähr 11-jährigen Zyklus, in dem die innere Konvektionszone der Sonne irgendwie aktiver wird, was dazu führt, dass die äußere Schicht oder Korona häufigere und intensivere Eruptionen und Plasmaexplosionen erzeugt, die als koronale Massenauswürfe bezeichnet werden. Es ist schwierig, die inneren Regionen der Sonne zu untersuchen, sagt Berger, obwohl die NASA dies mit einem Raumschiff namens Solar Dynamics Observatory versucht, das Schallwellen verwendet, um die Oberfläche der Sonne zu kartieren und Rückschlüsse auf das Plasma darunter zu ziehen.
Auch andere auf dem Gebiet loben die Forschung von Putterman und seinen Kollegen, weisen jedoch auf Einschränkungen hin. „Das ist eine aufregende und innovative Entwicklung. Es ist clever gemacht. Es war schon immer eine Herausforderung, die interne Dynamik eines Sterns in einem Labor zu simulieren“, sagt Mark Miesch, Forscher am NOAA Space Weather Prediction Center und der University of Colorado.