Akkretionsscheibe

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Akkretion, das schwerkraftbedingte Aufsammeln von Materie, ist allgegenwärtig. Neugeborene Sterne wachsen auf diese Weise, kompakte Himmelskörper, wie weiße Zwerge, Neutronensterne und schwarze Löcher, entziehen einem nahen Begleitstern oder der Umgebung Stoff, um sich diesen einzuverleiben. Ursache ist die Masseanziehung. An Hindernissen stellen sich in den Weg: der Gasdruck und der Drehimpuls. Aufgesammelt werden kann letztlich nur kühles und drehimpulsarmes Material. Kühlung ist meist kein Problem — durch Abstrahlung wird Wärme veräußert —, Drehimpuls aber ist an Stoff gebunden und kann nicht vernichtet, höchstens umverteilt werden. Genau dies geschieht in einer das zentrale Objekt umgebenden Akkretionsscheibe. Meist fällt die Scheibenmasse verglichen mit der Masse des Zentralkörpers nicht ins Gewicht. Sind außerdem die thermischen Geschwindigkeiten der Teilchen klein verglichen mit der Umlaufgeschwindigkeit, setzt sich die Materie in einer geometrisch dünnen Scheibe ab, die gemäß dem dritten Keplerschen Gesetz rotiert. Dem Zentrum nahe Scheibenteile benötigen für einen Umlauf weniger Zeit als Scheibenteile, die diesem fern sind. Die Scheibe rotiert differentiell. Dadurch, dass radial benachbarte Scheibenpartien miteinander gekoppelt sind (durch die thermische und turbulente Bewegung des Gases oder durch ein Magnetfeld) kommt es zu Reibung: weiter innen rotierende Materie versucht, das Gas in einem bestimmten Abstand vom Zentralkörper «mitzureißen», zu beschleunigen, weiter außen befindliches Material hingegen bremst die Umlaufbewegung. Überwiegt der Bremseffekt, strömt Material auf einer Spiralbahn langsam nach Innen. Der durch Reibung übertragene Drehimpuls strömt im Gegenzug nach außen. Auf diese Weise verliert Gas allmählich an Drehimpuls und kann sich dem Zentrum nähern. Die Reibungswärme, umgewandelte Gravitationsenergie, wird normalerweise gleich abgestrahlt. Die Scheibe leuchtet.

Rätselhaft ist die Herkunft der Scheibenviskosität, die Art und Weise, wie radial benachtbarte Scheibenregionen aneinander koppeln, was Voraussetzung für die Reibung ist. Die molekulare Viskostät des Gases, die auf dem thermischen Hin und Her stoßender Gasatome beruht, reicht bei weitem nicht aus. Vermutlich ist das Gas hochgradig turbulent und die Kopplung erfolgt durch das Hin und Her von einander stoßenden gewaltigen Gasbatzen. Was aber treibt die Turbulenz? Die Scherung in einer Keplerscheibe reicht nicht aus, hydrodynamische Turbulenz anzufachen. Die Scherströmung erweist sich gegen kleine Störungen als stabil. Dies gilt allerdings nicht für hinreichend magnetisierte Scheiben. Leider gibt es Scheiben, die so kalt sind, dass ihre elektrische Leitfähigkeit nicht ausreicht, magnetische Felder hinreichend fest an das Gas zu fesseln...

Um zu illustrieren, welche Kräfte am Werk sein müssen, um Akkretion zu bewerkstelligen, folgendes Gedankenexperiment. Angenommen jemand käme auf die Idee, all den Unrat, den wir erzeugen, einfach in die Sonne zu kippen, um die Erde und ihre Umgebung davon sauber zu halten. Damit eine Mülltonne von der Erdumlaufbahn aus die Sonne erreicht, müsste ihre Bahngeschwindigkeit von 30 km/s (Erdgeschwindigkeit) auf weniger als 3 km/s verringert werden. Mit anderen Worten, der Müll müsste mit 27 km/s entgegen der Bewegungsrichtung der Erde abgeschossen werden (aber bitte nicht mit mehr als 33 km/s!). So etwas ist unbezahlbar. Nun stelle man sich vor, die Sonne wäre zu einem schwarzen Loch geschrumpft. Wie schwer wäre es, dies zu treffen? Nun die Bahngeschwindigkeit der Mülltonne dürfte höchstens noch 6 m/s betragen. Die Tonne müsste entgegengesetzt zur Erdbewegung mit mindestens 29,994 km/s abgeschossen werden. Überstiege die Abschussgeschwindigkeit durch einen technischen Defekt aber 30,006 km/s, käme uns unser Unrat irgendwann als Wurfgeschoss mit etwas mehr als 30 km/s wieder in die Quere. Ein schwarzes Loch zu füttern ist nicht einfach.

11.01.2003

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