Neue Theorie und Anwendungen mit der Regularisierten Kappa-Verteilung

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Horst Fichtner
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511321267

Mit dem Projekt werden wir die Theorie von Nichtgleichgewichtsplasmen und spezifische Anwendungen weiter entwickeln unter Verwendung der Regularisierten Kappa-Verteilung (RKD), die jüngst eingeführt wurde um suprathermische Teilchenpopulationen und ihre Auswirkungen in astrophysikalischen Systemen realistisch zu beschreiben und zu interpretieren. Diese RKD erlaubt die Überwindung einer Reihe von kritischen Einschränkungen und Unzulänglichkeiten der Standard-Kappa-Verteilung (SKD), die im Wesentlichen durch divergierende Geschwindigkeitsmomente, eine nicht-extensive Entropie sowie ungewollte, aber signifikante Beiträge von unphysikalischen überlichtschnellen Teilchen bestimmt sind. Das neue RKD-Konzept motiviert eine systematische Erforschung seiner Konsequenzen in der kinetischen sowie der Fluid-Theorie und entsprechende Studien astrophysikalischer Plasmen auf kleinen und großen Skalen. Daher ist das Hauptziel des Projektes neue theoretische Ansätze basierend auf der RKD zu entwickeln und auf Nichtgleichgewichts- und Multiskalen-Plasmen anzuwenden, mit einem Schwerpunkt auf dem am Besten beobachteten astrophysikalischen System, der Heliosphäre. Dieses Ziel ist explizit mit zwei Schlüsselfragen formuliert, deren eine die kinetische Theorie betrifft und die andere die Fluidtheorie: (Q1) Was sind die Konsequenzen der Verwendung der RKD in der kinetischen Theorie für die Eigenschaften von Plasmawellen und -instabilitäten? (Q2) Wie kann eine auf der RKD basierende Fluidtheorie hergeleitet und auf nichtthermische astrophysikalische Systeme angewendet werden? Die Antwort auf die erste Frage wird durch analytische und numerische Modellierung klären welche Auswirkungen die Verwendung der RKD für Plasmawellen auf kleinen, also kinetischen Skalen hat. Diejenige auf die zweite Frage wird eine konsistente, quantitative Behandlung der Plasmadynamik auf großen, also Fluidskalen etablieren. Die Modellierung und ihre Bewertung mit Hilfe von Daten wird mit der Erfüllung von drei Aufgaben realisiert: (i) der Entwicklung einer kinetischen Theorie für die RKD und ihre Anwendung auf Teilchenpopulationen im Sonnenwindplasma, (ii) die Verwendung makroskopischer Momente der RKD und geeigneter Quellterme für Masse, Impuls und Energie um MHD-ähnliche Fluidgleichungen herzuleiten sowie deren Anwendung, und (iii) die Validierung der Ergebnisse mit Daten von Raumsonden. Mit diesen Studien werden wir nicht nur das Verständnis der physikalischen Relevanz der RKD und ihrer Signifikanz für astrophysikalische Plasmen, insbesondere das Sonnenwindplasma, vertiefen, sondern erstmalig kinetische und Fluid-Beschreibungen von nichtthermischen astrophysikalischen Plasmen etablieren, die vollständig konsistent miteinander sind. Die Validierung der Theorie und der Modellierung wird auf der Basis von Raumsondendaten erfolgen, insbesondere von der jüngst gestarteten NASA Parker Solar Probe und des kommenden ESA Solar Orbiters.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Brasilien, Finnland, Frankreich
• Partnerorganisation: Fonds Wetenschappelijk Onderzoek - Vlaanderen ; Research Foundation Flanders (FWO)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Rudi Gaelzer; Professor Dr. Milan Maksimovic; Professor Dr. Stefaan Poedts; Dr. Jens Aarre Vilhelm Pomoell