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JUNGE STERNE
Ein stellarer Jet im Labor
Redaktion / Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR)
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17. Oktober 2014

Wissenschaftlern ist es gelungen, ein neues Modell, das die Entstehung von astrophysikalischen Jets von jungen Sternen beschreibt, erstmals erfolgreich im Labor zu testen. Als entscheidend erwiesen sich ausschließlich die beteiligten Magnetfelder. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse könnten in Zukunft sogar bei der Krebstherapie mit Protonenstrahlen weiterhelfen.

Junger Stern

Kosmische Jets formen sich auch bei der Entstehung eines Sterns. Bild: ESO / L. Calçada / M. Kornmesser [Großansicht]

Wann immer ein Objekt im Weltall um sich herum eine rotierende Scheibe aus Materie bildet, stehen die Chancen gut, einen sogenannten Jet zu beobachten. Dabei handelt es sich um einen dünnen, geradlinigen Ausstoß von Materie, der sich vom Zentrum der Scheibe ausbreitet und dem Gebilde insgesamt die Form eines Kreisels gibt. Man kennt diese Jets von aktiven Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien, aber auch von jungen gerade entstehenden Sternen. Bislang ist jedoch nicht geklärt, wie genau sich die dünnen Strahlen inmitten der Scheibe formen.

Zusammen mit Kollegen aus Europa, Amerika und Asien haben Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) nun den Prozess im Labor nachgestellt: Eine Probe aus Kunststoff wurde hierzu am Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) in Frankreich mit einem Laser beschossen. Dadurch gerieten die Elektronen im Inneren des "Targets" in Bewegung und das zuvor feste Kunststoff-Objekt verwandelte sich zum leitfähigen Plasma.

"Man muss sich darunter eine Art 'heiße Wolke' aus Elektronen und Ionen vorstellen, die sich sehr schnell ausbreitet. In kleinem Maßstab repräsentiert das Plasma die Materieansammlung eines jungen Sterns", erläutert Professor Thomas Cowan, der Direktor des Instituts für Strahlenphysik am HZDR, der an den Untersuchungen beteiligt war.

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Zugleich - und das war ein entscheidender Kniff des Experiments - wurde das Plasma einem sehr starken, gepulsten Magnetfeld ausgesetzt. Die Hypothese der Physiker: Unter Einfluss des Magnetfelds fokussiert sich das normalerweise breit gestreute Plasma und bildet eine Aushöhlung im Inneren. Dies führt schließlich zu einer Stoßwelle, aus der ein sehr dünner Strahl hervorgeht - ein Jet.

Das Experiment wurde so konstruiert, dass es auf die real im Universum anzutreffenden Bedingungen hochgerechnet werden kann: In nur 20 Nanosekunden - über 100.000 Mal schneller als der Flügelschlag einer Fliege - bildet das Labor-Plasma Strukturen aus, wie der Jet eines jungen Sterns in rund sechs Jahren. Auf diese Weise konnte das Modell mit den astronomischen Beobachtungen überprüft werden, die seit einigen Jahren durch Weltraumteleskope möglich sind. Dabei zeigte sich eine sehr genaue Übereinstimmung der Daten.

So kommt es beispielsweise in einem Jet dazu, dass sich Teilchenströme überkreuzen, was zu einer zusätzlichen Erhitzung an solchen Punkten führt. "Röntgenmessungen von echten Jets zeigen an den gleichen Stellen Auffälligkeiten wie unser maßstabsgetreues Plasma-Modell im Labor", verdeutlicht Cowan. Damit konnten die Forscher erstmals ein Modell vorlegen, das die Entstehung von Jets allein durch Magnetfelder erklären kann. In vorherigen Ansätzen musste stets auch die Rotation der Materie um den jungen Stern als weiterer Einflussfaktor einbezogen werden.

Die Erkenntnis, dass sich ein Plasma derart fokussieren lässt, könnte zudem auch einen praktischen Nutzen für die Medizin haben. So sei es laut Cowan denkbar, dass mit Hilfe von gepulsten Magnetfeldern ein besonders dünner Protonenstrahl für die Strahlentherapie erzeugt werden könnte.

Um überhaupt starke gepulste Magnetfelder für das Experiment produzieren zu können, wurde auf die Erfahrung des Hochfeld-Magnetlabors Dresden am HZDR zurückgegriffen: "Wir haben einen speziellen Pulsgenerator entwickelt, der es den Kollegen in Frankreich ermöglichte, in engen Laborräumlichkeiten so starke Felder zu produzieren", erläutert Dr. Thomas Herrmannsdörfer, Abteilungsleiter am Hochfeld-Magnetlabor. Gerade mal so groß wie ein Kleiderschrank ist der Generator, der Ströme bis zu 300 Kiloampere produzieren kann.

Die Konstruktion einer so kompakten Anlage war laut Herrmannsdörfer vor allem eine technische Herausforderung: "Unsere Elektroingenieure fanden hier recht innovative Lösungen. Das hilft uns nun auch bei der Entwicklung von Generatoren für industrielle und medizintechnische Anwendungen weiter." Der Pulsgenerator befindet sich derzeit noch immer im französischen Laserlabor in Palaiseau bei Paris, denn schon ab Dezember wollen die Dresdner Wissenschaftler wieder mit den Kollegen am LULI zusammenarbeiten.

Über die Ergebnisse der aktuellen Studie berichten die Wissenschaftler jetzt in einem Fachartikel in der Zeitschrift Science.

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siehe auch
Schwarze Löcher: Rolle von Magnetfeldern bislang unterschätzt? - 5. Juni 2014
Hubble: Die Bewegung des Jets von M87 - 23. August 2013
VLBA: Der zweite Jet von M87 - 8. Oktober 2007
Chandra: Die Knoten im Jet von M87 - 28. September 2001
Hubble Heritage Projekt: Der Jet von M87 - 6. Juli 2000
Links im WWW
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
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