Wirbel im All – Cotutelle-Promotion zu Rotationsscheiben

Gabriel Maltese Meletti de Oliveira aus Brasilien schloss als erster Absolvent eine Cotutelle-Promotion an der BTU ab. Im Rahmen dieses Programms forschte er auch einige Zeit an der Partner-Université Aix-Marseille in Frankreich. Hier erklärt er, worum es in seiner Promotion geht. Sie trägt den Titel „High-performance computing and laboratory experiments on strato-rotational instabilities“.

Dr.-Ing. Gabriel Meletti

Irdische und astronomische Wirbelsysteme

Geschichtete Wirbel finden sich kleinen bis großen Skalen in geophysikalischen und astrophysikalischen Strömungen. Einerseits können Tornados und Wirbelstürme Verwüstungen verursachen und sogar zu einer großen Anzahl von Opfern führen. Andererseits verteilen diese Wirbel Wärme und Impulse in der Atmosphäre, was für eine bewohnbare Umwelt auf der Erde besonders wichtig ist.

Im astrophysikalischen Kontext können Akkretionsscheiben als geschichtete Wirbel betrachtet werden. Diese um ein zentrales Objekt (z.B. ein schwarzes Loch) rotierende Scheiben ziehen Materie in Richtung des Zentrums.

In solchen Systemen ist das Verständnis der Mechanismen, die zu einem Transport von Drehimpuls nach außen führen können, ein zentrales Problem. Damit sich in einer Scheibe ein Planet oder Stern bilden kann, muss der Drehimpuls aus ihrem Zentrum weggetragen werden, um eine Materieaggregation durch die Schwerkraft zu ermöglichen. Andernfalls wäre ihre Rotationsgeschwindigkeit viel zu groß, so dass diese Materieaggregation (und die daraus folgende Sternbildung) nicht stattfinden könnte.

Materie im Schleudergang

Das Phänomen ist vergleichbar mit einer schleudernden Waschmaschine: Aufgrund der Rotation könnten wir erwarten, dass die Materie in einer Akkretionsscheibe radial weggeschleudert wird, so wie Wäsche nach dem Schleudern an die Außenwand der Waschmaschine gelangt. Die Tatsache, dass sich die Materie im Zentrum einer Scheibe zu Sternen zusammenballt, wie es von vielen Teleskopen beobachtet wird, muss also noch besser verstanden werden, da die Gravitationskräfte kleiner sind als die nach außen gerichteten Drehimpulskräfte, die aus der Rotation resultieren.

In solchen Gassystemen ist die Turbulenz der wahrscheinlichste Mechanismus, um einen so großen Drehimpulstransport zu erreichen, und es stellt sich die Frage, wie die Turbulenz erzeugt werden kann. Neben anderen Kandidaten hat in den letzten Jahren die Strato-Rotations-Instabilität (SRI) Aufmerksamkeit erregt. Die SRI ist eine rein hydrodynamische Instabilität, die durch zwei konzentrische Zylinder modelliert werden kann, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren und zu einer stabilen Dichteschichtung aufgrund von axialen Salz- oder Temperaturgradienten hinzukommen. Diese Art der Schichtung kann z.B. in der Atmosphäre unseres Planeten oder in den Ozeanen beobachtet werden, wenn die Sonne den oberen Teil der Meere erwärmt, der dadurch leichter (weniger dicht) wird, und die Temperatur mit der Tiefe abnimmt, wodurch er immer schwerer und folglich auch dichter wird.

Untersuchung der Strato-Rotations-Instabilität

In dieser Arbeit wurde eine kombinierte experimentelle und High-Performance-Computing-Studie über neue spezifische Verhaltensweisen der Strato-Rotations-Instabilität (SRI) durchgeführt. Die Dichteschichtung bewirkt eine Veränderung des marginalen Instabilitätsübergangs zu turbulenten Regimen, wodurch die Strömung in Regionen instabil wird, in denen sie – ohne Schichtung – stabil wäre. Diese Eigenschaft macht die SRI zu einem relevanten Phänomen in planetarischen und astrophysikalischen Anwendungen, insbesondere in der Akkretionsscheibentheorie, wo eine stabile Dichteschichtung aufgrund der dichteren Materie im Zentrum der Scheiben und der Wechselwirkungen der äußeren Regionen der Scheibe mit der kosmischen Strahlung im Weltraum entsteht.

Trotz vieler Fortschritte im Verständnis der stratosphärischen Strömungen bleibt die Gegenüberstellung von experimentellen Daten mit nichtlinearen numerischen Simulationen relevant, da sie lineare Aspekte und nichtlineare Wechselwirkungen der SRI-Moden beinhaltet, die noch besser verstanden werden müssen. Diese Vergleiche decken auch neue nichtlineare Phänomene und Muster auf, die bisher im SRI nicht beobachtet wurden und die zu unserem Verständnis geophysikalischer Strömungen beitragen können.

Promotion behandelt aktuelle Fragestellung der Astrophysik

Es wurde gezeigt, dass Modulationen der Geschwindigkeits- und Temperaturprofile mit Spiralen in axialer Richtung verbunden sind, die sich aufgrund der Instabilität bilden. Jüngste astronomische Beobachtungen, die Anfang 2020 mit dem Very Large Telescope (VLT), einer großen Anlage in der Atacama-Wüste, gemacht wurden, haben ebenfalls Spiralen in einer Akkretionsscheibe in einem frühen Stadium der Sternbildung im Zentrum der Scheibe eingefangen. Diese Beobachtungen machten die Untersuchung dieser Spiralsignaturen und -dynamiken zu einem aktuellen und für die Astrophysik relevanten Thema, da sie eine wichtige Rolle für unser weiteres Verständnis der Planeten- und Sternentstehung in Akkretionsscheiben spielen könnten. Es wurde gezeigt, dass diese Modulationen auch einen Einfluss auf den Impulstransfer in Akkretionsscheiben haben, was einen großen Einfluss darauf haben könnte, wie Sterne im Zentrum einer Akkretionsscheibe entstehen, da sich die Steuern der Materieakkretion im Laufe der Zeit ändern könnten. Beobachtungen in Akkretionsscheiben von Galaxien mit ähnlicher zylindrischer Geometrie zeigen ebenfalls modulierte Phänomene des Energietransfers und andere ähnliche Signaturen, die wir in unseren SRI-Auswertungen beobachten. Daher könnte die SRI helfen, verschiedene Phänomene zu verstehen, die mit dem relevanten Problem zusammenhängen, wie Sterne und Sonnensysteme gebildet werden, was schließlich alles mit unserem Verständnis darüber zu tun hat, wie Leben selbst in unserem Sonnensystem und auf unserem Planeten existieren kann.

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