Laborexperiment
Ein Blick ins Innere von Sternen: Wie Rotation die Flüssigkeiten beeinflusst
Wie sich Flüssigkeiten in Himmelskörpern bewegen, hat einen großen Einfluss auf das Universum. Mit einem Experiment hat ein internationales Forschendenteam mit Beteiligung aus Dresden eine wichtige Theorie bestätigen können.
In das Innere von Sternen und Planeten zu blicken, ist auf direktem Wege nicht möglich. Dabei spielen die dort ablaufenden Prozesse eine wichtige Rolle, lassen etwa das Magnetfeld der Erde entstehen. Ein Experiment hat jetzt eine Theorie über die Flüssigkeiten im Inneren bestätigt, die für die Astrowissenschaft wichtig ist.
Fluide Bewegung geprägt von Rotation
Forscher aus den USA und Dresden haben dabei im Labor einen Effekt untersucht, der mit Konvektion zu tun hat. Dieses spezielle Muster von Strömungen ist typisch für das Innere von Himmelskörpern: Heißes Material steigt auf, kühleres sinkt ab. Dabei entstehen turbulente Strömungen, die unter anderem das Magnetfeld der Erde antreiben und die Dynamik von Sternen prägen. Nach theoretischen Vorhersagen erreichen diese Strömungen unter den Bedingungen schnell rotierender Himmelskörper einen besonderen Zustand.
Dieser Grenzfall wird in der Fachwelt als diffusivitätsfreies Regime bezeichnet. Dahinter verbirgt sich ein Zustand, in dem die großräumigen Strömungen nahezu ausschließlich durch Auftrieb und Rotation bestimmt werden. Eigenschaften der Flüssigkeit wie ihre Zähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit treten dagegen weitgehend in den Hintergrund.
Laborexperiment mit flüssigem Gallium bestätigt Theorie
Mit Gallium, einem flüssigen Metall, konnten die Forschenden jetzt genau diese Theorie erstmals im Labor beobachten, erklärt Erstautorin Jewel Abbate von der University of California in Los Angeles (UCLA). "Damit gewinnen wir deutlich mehr Vertrauen in die Modelle, mit denen wir Prozesse im Inneren von Sternen und Planeten beschreiben."
Während zweier Forschungsaufenthalte an der UCLA war auch Tobias Vogt vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) an den Experimenten und Messungen beteiligt. Um den experimentellen Nachweis abzusichern, verglichen die Forschenden drei voneinander unabhängige Kenngrößen mit den theoretischen Vorhersagen: den Wärmetransport, die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperaturschwankungen im Inneren der Flüssigkeit. Alle drei stimmten quantitativ mit den Modellen überein. Simulationen bestätigten die Ergebnisse zusätzlich.
"Die besondere Stärke unserer Arbeit liegt darin, dass Theorie, Experiment und numerische Simulationen nun quantitativ übereinstimmen", fasst der Forscher vom HZDR-Institut für Fluiddynamik zusammen. "Damit konnten wir experimentell bestätigen, dass die zugrunde liegenden physikalischen Modelle den beobachteten Wärmetransport sehr gut beschreiben. Dadurch können wir solche Modelle nun mit deutlich größerem Vertrauen auch auf das Innere von Planeten und Sternen anwenden."
pm/jar
