Sound einer staubigen, kosmischen Schallplatte

  • 16. October 2012

Modell erklärt, wie nichtlineare Schallwellen in staubigen Plasmen entstehen, wie in den Ringen des Saturn.

Staubige Plasmen bestehen üblicherweise aus Elektronen, positiv geladenen Ionen, neutralen Atomen und Staubkörnchen, die negativ oder positiv geladen sind. Nur in Plasmen mit solchen Staubkörnern können Schallwellen entstehen – die sogenannten Staub-Schallwellen. Die Trägheit der massereichen Staubkörner ist für ihre Entstehung entscheidend. Der Druck der heißen Elektronen und Ionen des Plasmas liefert die Rückstellkraft, die die Plasmateilchen in Schwingungen versetzt und dafür sorgt, dass sich die Schallwelle ausbreitet. Zahlreiche Experimente offenbarten kürzlich nichtlineare akustische Wellen mit extrem großen Amplituden in staubigen Plasmen, nämlich einzelne akustische Pulse und Schockwellen. Padma Shukla und Bengt Eliasson haben jetzt eine Theorie entwickelt, die beschreibt, unter welchen Umständen nichtlineare Schockwellen und Pulse in staubigen Plasmen auftreten.

Mit der Zeit entwickelt sich die Schalwelle in eine nichtlineare Wellenstruktur mit Spikes, die ähnlich zu denen sind, die zuvor in Laborexperimenten beobachtet wurden

Abb.: Der obere Bildteil (a) zeigt, wie sich eine nichtlineare Schallwelle über Zeit (horizontale Achse) und Ort (vertikale Achse) hinweg entwickelt. Die untere Abbildung (b) stellt nur die Variation über die Zeit dar, und zwar an einem bestimmten Punkt (X=0). Mit der Zeit entwickelt sich die Schalwelle in eine nichtlineare Wellenstruktur mit Spikes, die ähnlich zu denen sind, die zuvor in Laborexperimenten beobachtet wurden. (Bild: RUB nach P. K. Shukla & B. Eliasson, Phys. Rev. E)


Staub-Schallwellen mit großen Amplituden interagieren miteinander. Dabei entstehen neue Wellen mit neuen Frequenzen. Durch die Entstehung von Harmonischen und durch konstruktive Interferenz können sich die Wellen zu einzelnen Pulsen („Spikes“) entwickeln oder zu Schockwellen. Die Einzelpulse treten auf, wenn Nichtlinearitäten bei der Entstehung der Harmonischen mit der Zerstreuung der Welle im Lauf der Zeit zusammenspielen. Schockwellen bilden sich hingegen, wenn die Zähflüssigkeit des Staubs stärker ist als die Zerstreuung der Welle. Das passiert bei hohen Staubdichten, wenn die Staubpartikel so nah zusammenkommen, dass sie interagieren und mit Nachbarpartikeln kollidieren.

Die neue Shukla-Eliasson-Theorie erklärt die Beobachtungen aus Experimenten von drei verschiedenen Arbeitsgruppen in den Vereinigten Staaten, Taiwan und Indien. Die Forscher hatten die Existenz von Einzelpulsen und Schockwellen mit großen Amplituden bei Entladungen von Tieftemperaturplasmen beschrieben. Mit dem neuen Modell lässt sich aus der Weite der Schockwelle die Zähflüssigkeit des Staubes bestimmen. „Unsere Ergebnisse sind auch wichtig, um den möglichen Mechanismus zu verstehen, der der Clusterbildung von Staubkörnern in Planeten und Regionen sich bildender Sterne zugrunde liegt“, erklärt Shukla.

Vor über zwei Jahrzehnten sagte Shukla theoretisch lineare und nichtlineare Schallwellen in staubigen Plasmen voraus. Viele Laborexperimente haben die Theorie seither bestätigt. Die Entdeckung der Schallwellen hat die Plasmaphysik verändert und ein neues interdisziplinäres Forschungsfeld zum Vorschein gebracht an der Schnittstelle zwischen Astrophysik und der Physik der kondensierten Materie.

Dieses Mosaik aus insgesamt sechs Weitwinkelaufnahmen der Saturnsonde Cassini vom 6. Mai 2012 zeigt den Planeten und seinen größten Mond, Titan. Die Ringe, in denen die zahlreichen kleineren Monde immer wieder Spikes erzeugen, liegen hier fast genau auf der Kante

Abb.: Dieses Mosaik aus insgesamt sechs Weitwinkelaufnahmen der Saturnsonde Cassini vom 6. Mai 2012 zeigt den Planeten und seinen größten Mond, Titan. Die Ringe, in denen die zahlreichen kleineren Monde immer wieder Spikes erzeugen, liegen hier fast genau auf der Kante. (Bild: NASA, JPL / Caltech / SSI)

Für seine entscheidenden Beiträge zur nichtlinearen Plasmaphysik und zu „computational physics” wurde Bengt Eliasson im September 2012 zum Mitglied der American Physical Society (APS) gewählt – eine große Auszeichnung durch die Forscherkollegen. Die APS nimmt jährlich weniger als ein Prozent neue Mitglieder auf, bezogen auf die aktuelle Mitgliederzahl. Bengt Eliasson erlangte einen Masterabschluss in Engineering Physics an der Universität in Uppsala, Schweden, wo er sich auch in Numerischer Analysis promovierte. Seit 2003 arbeitet er an der Ruhr-Universität Bochum in Prof. Shuklas Labor. Seine Beiträge zu verschiedenen Bereichen der Astro- und Plasmaphysik reichen von Simulationen der Erd-Ionosphäre im großen Maßstab bis hin zu numerischen Modellen von Quantenplasmen.

RUB / OD

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