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_TITEL . Meilensteine - Forschen für die Welt von morgen

_TEXT . Roland Knauer


Kosmische Bremsen


FZD Journal 05 / März 2010

Ohne Magnetfelder gäbe es keine Sterne und Planeten. Wissenschaftler vom Astrophysikalischen Institut Potsdam und vom FZD haben diese Himmelsprozesse erstmals ins Labor geholt.

"Was hat die Natur sich dabei nur wieder gedacht?" - dieser Gedanke könnte einem humorbegabten theoretischen Physiker beim Blick auf das Sonnensystem durch den Kopf schießen. Denn die Planeten vom Merkur über die Erde bis zum Neptun ziehen ihre Bahnen um eine Sonne, die sich in rund 25 Tagen und neun Stunden einmal um ihre eigene Achse dreht. Das ist aber nach einfachen theoretischen Überlegungen viel zu langsam. "Eigentlich sollte die Sonne nämlich in einer Sekunde eine Drehung machen", erklärt Günther Rüdiger vom Astrophysikalischen Institut Potsdam (AIP). Das aber wäre fatal, weil die hohe Drehgeschwindigkeit den Stern sofort wieder auseinander fliegen lassen müsste. Wenn ein solches Umdrehungstempo die Sonne zerreißen würde, fragt sich ein Theoretiker natürlich sofort, welcher Mechanismus die Sonne während ihrer Entstehung abgebremst hat. Die Antwort fanden 1959 Evgeny Velikhov vom Kurchatov-Institut in Moskau, sowie 1991 seine US-amerikanischen Kollegen Steven Balbus und John Hawley von der University of Virginia: Noch vor der Geburt einer Sonne erzeugen Magnetfelder Turbulenzen, die den sich bildenden Stern bremsen. Ob diese Theorie einem Praxistest standhält, zeigten AIP-Forscher Günther Rüdiger und Frank Stefani vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) gemeinsam mit ihren Kollegen 2006.
Für dieses Laborexperiment gab es dann Ende 2008 prompt den mit 50.000 Euro dotierten Preis "Gesellschaft braucht Wissenschaft" für Günther Rüdiger und Frank Stefani. Mit gutem Grund, erklären die von Magnetfeldern erzeugten Turbulenzen doch nicht nur, wie Sonnen und ihre Planetensysteme entstehen, sondern auch eine Reihe weiterer Vorgänge im Weltraum.

Ein naheliegendes Beispiel sind die Sonne und das Planetensystem, zu dem die Erde gehört. Seine Geschichte begann, als sich vor rund 4,6 Milliarden Jahren eine riesige Gaswolke gebildet hatte. Obwohl Licht in jeder Sekunde 300.000 Kilometer zurücklegt, brauchte es doch ungefähr ein Jahr von einem Ende dieser Wolke bis zum anderen. Zwar war die Materie ziemlich diffus verteilt, doch auf Grund ihrer schieren Größe hatte diese Wolke eine gigantische Masse. Die ebenfalls große Schwerkraft der Wolke zog die Teilchen zunächst mit sanfter und später mit immer größerer Kraft in das Zentrum des Gebildes. Schließlich bildete sich eine immer noch gigantische Scheibe, die um ihr eigenes Zentrum kreiste, zeigen die klassischen Gesetze der Physik.

Solche Akkretionsscheiben aber sind ziemlich stabil, demonstrieren eine geschickt geworfene Frisbee-Scheibe oder ein Kinder-Kreisel. Würde keine Kraft die kreisende Bewegung bremsen, würden beide Teile ewig um ihre eigene Achse kreisen. "Der Drehimpuls bleibt erhalten", erklären Physiker dieses Dauerdrehen. Auf der Erde aber bremst zum Beispiel die Luft den Kreisel oder die Frisbee-Scheibe langsam ab, irgendwann kippt der Kreisel um und sinkt die Frisbee-Scheibe auf den Boden. Vorher hat der Kreisel seinen Drehimpuls langsam aber sicher an die Luft und an den Untergrund abgegeben. Der Drehimpuls bleibt so erhalten, weil der Kreisel zwar langsamer rotiert, gleichzeitig aber die Luft in Bewegung setzt. Wohin aber sollte eine Akkretionsscheibe ihren Drehimpuls im weitgehend leeren Weltraum abgeben?

 

Sonnensystem Montage

Unser Sonnensystem als Montage. Bild: NASA (www.nasa.gov)

 

Genau da liegt das Problem für Theoretiker. Wie sollte eine weitgehend ungebremste rotierende Scheibe in sich zusammenstürzen und dabei im Zentrum eine Sonne bilden, die einen großen Teil der Masse der Scheibe enthält? Schließlich kreist jedes Teilchen der Scheibe genau so schnell um das Zentrum, dass die entstehende Fliehkraft exakt von der Schwerkraft ausgeglichen wird. Genauso sausen auch die Planeten des Sonnensystems ziemlich stabil um das Zentralgestirn, weil keine nennenswerten Kräfte sie bremsen. Obendrein würde sich die relativ langsame Rotation der Akkretionsscheibe beim Zusammenschnurren auf Sonnengröße nach den Gesetzen der Physik auf das Höllentempo von einer Umdrehung in jeder Sekunde steigern und den neuen Stern so gleich wieder zerreißen. Die gleichen Gesetze lassen die Pirouette eines Eiskunstläufers schneller werden, wenn er die Arme anzieht und so den Durchmesser seines rotierenden Körpers verringert.

Wenn ein Eiskunstläufer die Arme anzieht und dadurch seine Rotation beschleunigt oder eine Akkretionsscheibe beim Zusammenschnurren sich schneller um die eigene Achse dreht, steckt immer das gleiche Gesetz der Physik dahinter: Der Drehimpuls ändert sich nicht. Allerdings kann dieser konstante Drehimpuls sich aufteilen. AIP-Forscher Günther Rüdiger erklärt das so: "Fließt ein Teil des Drehimpulses nach außen, erhöht sich die Rotation der sich gleichzeitig zusammenziehenden Masse im Inneren weniger stark."

Genau das muss vor 4,6 Milliarden Jahren mit der Akkretionsscheibe passiert sein, als sich aus ihr die Sonne und die Planeten bildeten: Irgendeine Kraft muss den weitaus größten Teil der kreisenden Akkretionsscheibe gebremst haben, so dass diese Teilchen nach innen stürzten und dort die Sonne bilden konnten. Gleichzeitig schickte diese Kraft mit einem kleineren Teil der Masse auch einen großen Teil des Drehimpulses nach außen. Heute steckt daher der allergrößte Teil der Masse des Sonnensystems in der Sonne selbst, während die Planeten und dort vor allem der Riesenplanet Jupiter fast den gesamten Drehimpuls tragen.

Hinter dieser geheimnisvollen Kraft könnten Magnetfelder gesteckt haben, behaupteten dann 1991 die US-Amerikaner Steven Balbus und John Hawley. Magnetfelder entstehen in Akkretionsscheiben zwangsläufig, weil viele der sich rasch bewegenden Teilchen eine kleine elektrische Ladung tragen. "Sind Magnetfelder im Spiel, wird es schnell turbulent", erklärt Günther Rüdiger weiter. Diese Turbulenzen aber bringen die ordentlich kreisende Akkretionsscheibe durcheinander. Ein kleiner Teil der Masse fliegt dabei nach außen und nimmt nahezu den gesamten Drehimpuls mit. Der Rest stürzt zu einem Stern zusammen, der sich wie unsere Sonne eher gemächlich um die eigene Achse dreht, weil er nur den kleinsten Teil des gesamten Drehimpulses des Systems enthält.

Das Ganze klappt aber nur, wenn das Magnetfeld senkrecht auf der kreisenden Akkretionsscheibe steht. Das ist aber im Kosmos bei weitem nicht immer der Fall. Tatsächlich entstehen dann auch nur aus 14 Prozent aller Verdichtungen Akkretionsscheiben und schließlich ein Stern.

 

Das Rossendorfer Experiment

Pressemitteilung vom 15.10.2008: Kosmische Magnetfelder im Laborexperiment

Frank Stefani am kosmischen Experiment
im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf

Diese Theorie erklärt die Entstehung von Sternen und Planetensystemen zwar hervorragend. Physiker glauben solche Theorien aber erst dann, wenn sie diese mit einem Experiment belegen können. Dazu könnte man zum Beispiel ein flüssiges Metall in einem Zylinder kreisen lassen und ein Magnetfeld anlegen. Dabei aber gibt es ein massives Problem: Die drei bei nicht allzu hohen Temperaturen zur Verfügung stehenden flüssigen Metalle Quecksilber, Gallium und Natrium müssten sich sehr schnell in einem Zylinder drehen, damit ein Magnetfeld Turbulenzen in ihnen erzeugt. Die nötigen Geschwindigkeiten aber ließen sich nicht erreichen.

Zumindest bis Günther Rüdiger und Rainer Hollerbach von der Universität im englischen Leeds die entscheidende Idee hatten: Formt man ein Magnetfeld zu einer Spirale, sollten Turbulenzen bereits bei viel geringerem Tempo auftauchen, das machbar ist. Der Rest ist inzwischen Geschichte: Frank Stefani und seine Kollegen vom FZD wickelten eine Spule auf ein Abwasserrohr, das sie in einem Dresdner Baumarkt gekauft hatten. Im Rohr steckt ein Kupferzylinder, in dem sich ein zweiter Kupferzylinder befindet, durch dessen Mitte sich ein stromdurchflossener Kupferstab zieht. Rotiert der äußere Zylinder mit mindestens einem Viertel der Winkelgeschwindigkeit des inneren Zylinders, strömt die flüssige Gallium-Indium-Zinn-Legierung zwischen beiden Teilen ohne Turbulenzen in Drehrichtung. Lassen die Forscher nun durch die Spulen und den Kupferstab Strom fließen, entsteht ein spiralförmiges Magnetfeld. Obwohl dieses für sich allein genommen keine Kraft auf das flüssige Gallium-Indium-Zinn ausübt, bewirkt seine Wechselwirkung mit der Rotation die Entstehung einer wellenförmigen Bewegung. Damit aber haben die Forscher genau den "Magnetorotationsinstabilität" genannten Effekt im Experiment gezeigt, der aus einer Akkretionsscheibe eine Sonne und ihre Planeten entstehen lässt. "Wir haben die Himmelsprozesse ins Labor geholt", freuen sich Günther Rüdiger und Frank Stefani.

 



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Institut für Sicherheitsforschung im FZD
Dr. Frank Stefani

Astrophysikalisches Institut Potsdam (AIP)
Prof. Dr. Günther Rüdiger
www.aip.de