Laborexperimente untersuchen die Entstehung von Sternen und Planeten.

Der Kosmos ist eine Leere, die von Sternen und einer ständig wachsenden Zahl neu beobachteter Planeten jenseits unseres Sonnensystems durchzogen ist. Doch wie sich diese Sterne und Planeten aus Wolken von interstellarem Staub und Gas gebildet haben, bleibt geheimnisvoll.

Das Studium der Schwarzen Löcher liefert Hinweise, die helfen könnten, dieses Geheimnis zu lösen. Schwarze Löcher werden typischerweise als Staubsauger dargestellt, die alle nahegelegenen Gegenstände und Licht aufnehmen. Aber in Wirklichkeit wirbeln Staub- und Gaswolken, die Akkretionsscheiben genannt werden, um schwarze Löcher herum und bewegen sich allmählich immer näher, bis sie in die schwarzen Löcher fallen.

Forscher am Princeton Plasma Physics Laboratory halfen bei der Überprüfung eines der vorgeschlagenen Modelle für die Funktionsweise dieses Prozesses. Ihre Arbeit, die von der NASA, der National Science Foundation, dem Department of Energy, der Simons Foundation, dem Institute for Advance Study und dem Kavli Institute for Theoretical Physics unterstützt wird, wird auf dem Treffen der American Physical Society Division of Plasma Physics in Portland, Ore, vorgestellt.

Typische Objekte, die einen Stern umkreisen, wie die Planeten, die unsere Sonne umkreisen, umkreisen, umkreisen noch Milliarden von Jahren, weil ihr Drehimpuls unverändert bleibt und sie nicht nach innen fallen. Der Drehimpuls eines solchen Systems ist eine konservierte Größe – er bleibt konstant, wenn er nicht durch eine andere Kraft beeinflusst wird. Wenn aus irgendeinem Grund der Drehimpuls eines umlaufenden Objekts abnimmt, kann er nach innen zum Stern fallen.

Im Gegensatz zu isolierten Planeten kann die umkreisende Materie in einer dichteren, überfüllten Akkretionsscheibe Kräfte wie Reibung erfahren, die sie zum Verlust des Drehimpulses veranlassen. Solche Kollisionen reichen jedoch nicht aus, um zu erklären, wie schnell die Materie nach innen fallen muss, um in einer angemessenen Zeit Planeten zu bilden. Aber die magnetorotatorische Instabilität, bei der magnetische Kräfte an die Stelle von Kollisionen treten, kann eine Erklärung liefern.

Die Forscher führten ein Experiment durch, bei dem sie diesen Prozess mit einer einzigartigen rotierenden, wassergefüllten Vorrichtung simulierten. Das Video wird von einer mit Wasser gefüllten roten Kunststoffkugel aufgenommen, die sich von der Mitte des Geräts entfernt. Eine Feder im Experiment verbindet die Kugel mit einem Pfosten, um Magnetkräfte zu simulieren. Positionsmessungen der Kugel zeigen an, dass das Verhalten ihres Drehimpulses mit den Erwartungen an die magnetorotatorische Instabilität übereinstimmt.

Forscher führen nun Experimente mit spinnenden Flüssigmetallen durch, um zu untersuchen, was in Akkretionsscheiben mit tatsächlich vorhandenen Magnetkräften passiert. Die Experimente bestätigen, wie stark das Magnetfeld das Metall beeinflusst und ebnen den Weg zu einem klaren Verständnis der Rolle, die die Felder bei Akkretionsscheiben spielen. Die kombinierten Ergebnisse stellen einen bedeutenden Schritt in Richtung einer vollständigeren Erklärung der Entwicklung der Himmelskörper dar.

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