Bei der Entstehung von Sternen und Planetensystemen, aber auch bei der Bildung Schwarzer Löcher im Zentrum von Galaxien, spielt ein außergewöhnlicher magnetischer Effekt eine entscheidende Rolle: Erst durch ihn kann ein Schwarzes Loch überhaupt wachsen. Im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf gelang nun erstmals der experimentelle Nachweis dieses fundamentalen Effekts.

Schwarze Löcher können nur durch einen außergewöhnlichen magnetischen Effekt wachsen.  Bild: ESA / NASA

Wer kennt es nicht, das Bild vom gefräßigen Schwarzen Loch, das alles um sich herum verschlingt und nichts entkommen lässt, nicht einmal Licht. Bei genauerem Hinsehen merkt man allerdings, dass es gar nicht so einfach ist, ein Schwarzes Loch zu füttern. Die Gasscheiben, die sich in der Umgebung Schwarzer Löcher gebildet haben und um diese rotieren wie die Erde um die Sonne, werden in der Astrophysik Akkretionsscheiben genannt. Genauso wenig, wie etwa die Erde in die Sonne stürzt, kann die um das Schwarze Loch kreisende Materie von diesem einfach so aufgesaugt werden. Nur wenn die Materieteilchen abgebremst werden, reicht die Fliehkraft nicht mehr aus, um die Teilchen auf ihren Kreisbahnen zu halten, und sie stürzen in das Schwarze Loch. Wie wird die Materie in der Akkretionsscheibe aber abgebremst? Dieses Problem stellt sich nicht nur bei Schwarzen Löchern, sondern auch bei der Entstehung ganz normaler Sterne, deren Planetensysteme ebenfalls aus Akkretionsscheiben entstehen, und ist somit von fundamentaler Bedeutung für die kosmische Strukturbildung.

Die Lösung besteht in der so genannten Magneto-Rotations-Instabilität (MRI), deren Bedeutung für die Astrophysik 1991 von den Wissenschaftlern Balbus und Hawley theoretisch vorausgesagt wurde. Sie konnten mathematisch zeigen, dass stabile Akkretionsscheiben durch Magnetfelder destabilisiert werden können. Erst durch diesen Prozess wird Massenkonzentration in Sternen und Schwarzen Löchern überhaupt möglich.

Seit etwa fünf Jahren gibt es weltweite Bestrebungen, diesen für die kosmische Strukturbildung so fundamentalen Prozess im Laborexperiment nachzuweisen. Jüngste Arbeiten von amerikanischen und französischen Wissenschaftlern zeigten, dass Turbulenz in Akkretionsscheiben nur durch die Magnetfeldwirkung möglich ist, ein experimenteller Nachweis dieses Mechanismus gab es aber bislang nicht. Im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) wurde nun gemeinsam von Dresdner Physikern und Wissenschaftlern vom Astrophysikalischen Institut Potsdam (API) das Experiment PROMISE zum Nachweis der Magneto-Rotations-Instabilität aufgebaut und erfolgreich durchgeführt.

PROMISE steht für Potsdam ROssendorf Magnetic InStability Experiment. Es verblüfft durch einfache Komponenten wie etwa ein Abwasserrohr aus dem Baumarkt. In diesem Rohr, auf das die Spule zur Erzeugung des axialen Magnetfeldes gewickelt ist, finden zwei rotierende Kupferzylinder Platz. Der äußere Zylinder ist doppelt so groß wie der innere, in dem dazwischen liegenden Spalt wird ein Flüssigmetall durch unterschiedliche Drehzahlen von Innen- und Außenzylinder in eine rotierende Bewegung versetzt. Beträgt die Drehzahl des Außenzylinders mehr als ein Viertel derjenigen des Innenzylinders, ist die Strömung stabil, weist also keine Turbulenzen auf. Mit Hilfe von Ultraschall-Geschwindigkeitssensoren wird dies auch im Experiment beobachtet. Wirklich interessant aber ist die Tatsache, dass die hydrodynamisch stabile Strömung unter dem Einfluss eines extern angelegten, schraubenförmigen Magnetfeldes destabilisiert und somit turbulent wird, was zum effektiven Abbremsen der Strömung führt. Mit diesem Versuchsaufbau konnte erstmalig die Magneto-Rotations-Instabilität (MRI) im Laborexperiment nachgewiesen werden.

Die Ergebnisse wurden von den Wissenschaftlern inzwischen in den Fachblättern Physical Review Letters und Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.