Die künstlerische Darstellung zeigt die Geburt eines Sternes: Vertikale, helle Jets werden aus dem Zentrum der Gaswolke ausgestoßen, die ein massiver Baby-Stern um sich angesammelt hat. Geformt werden die Materieströme von Magnetfeldern, wie nun Forscher im Labor nachweisen konnten.
Dresden - Kosmische Jets zählen zu den spektakulärsten Phänomenen, die der Weltraum zu bieten hat: Aus dem Zentrum von Schwarzen Löchern, Quasaren oder Protosternen schießen diese Materie-Strahlen mitunter mehrere Lichtjahre weit ins All. Wie die gerichteten Teilchenströme zustande kommen, ist allerdings noch nicht im Detail geklärt. Ein internationales Forscherteam konnte nun erstmals im Laborversuch nachweisen, dass die Jets einem neuen Modell entsprechend durch Magnetfelder geformt werden.
Wann immer ein Objekt im Weltall um sich herum eine rotierende Scheibe aus Materie bildet, stehen die Chancen gut, einen solchen 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. Insbesondere bei der Entstehung von Sternen kann man derartige Strukturen beobachten, doch bislang ist nicht geklärt, wie genau sich die dünnen Strahlen inmitten der Scheibe formen.
Zusammen mit Kollegen aus Europa, Amerika und Asien haben Forscher vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) den Prozess im Labor nachgestellt: Eine Probe aus Kunststoff wurde hierzu am Labor für die Anwendung intensiver Laserstrahlen (Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses – LULI) in Frankreich mit einem Laser beschossen. Dadurch gerieten die Elektronen im Inneren der Probe 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", meint Thomas Cowan, Co-Autor der im Fachjournal "Science" veröffentlichten Studie.
Junge Sterne im Labormaßstab
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 bildet das Labor-Plasma Strukturen aus, wie der Jet eines jungen Sterns im Zeitraum von 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", erklärt 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.
Praktischer Nutzen für die Strahlentherapie
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. (red, derStandard.at, 21.10.2014)