Plasma-physik - Energonauten München

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Das Plasma-Universum Horst Eckardt München Einleitung – das Standardmodell Einleitung • Wikipedia: Mehr als 99 % der sichtbaren leuchtenden Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand. • Galaxien werden durch Gravitation zusammengehalten • Zur Erklärung der Phänomene werden z.T. exotische Erklärungen bemüht Stand der heutigen Lehrmeinung • Urknall –Inflat. Phase • Alter des Univ. 14 Mrd. Jahre • Ausdehnung: 28 Mrd. Lichtjahre • Struktur durch Gravitation –Problem mit Spiralgalaxien –dunkle Materie Newtonsches Gravitationsgesetz Heliozentrisches Weltbild (Kopernikus) Wissenschaftl. Arbeitsweise: Experiment <--> Theorie Präzession der Planetenbahnen Ellipse - Kepler Ellipse mit Präzession Raumkrümmung - Einstein Geschwindigkeitskurven von Galaxien Geschwindigkeit der Sterne A: Newton, Einstein B: Beobachtung Konstruktion dunkler Materie Alternative: elektrische Wechselwirkung Verhältnis elektrische/gravitative Wechselwirkung: 1021 : 1 Schwarze Löcher • Sternbewegungen im Zentrum der Milchstraße • Effekte des „schwarzen Loches“ nicht gefunden • Animation Plasma-Galaxien Molekül  Plasma Elektron Atomkern Elektr. Feld Was ist ein Plasma? • Begriff geht auf Irving Langmuir (1928) zurück. • vierter Aggregatzustand: weitere Energiezufuhr aus dem gasförmigen Aggregatzustand: Abspaltung der Elektronen von Atomkernen bzw. Ionenrümpfen • In bestimmten Fällen: elektrisch leitendes Gas, Beschreibung mit Hilfe der Magnetohydrodynamik • Transportprozesse (Strahlungstransport, Transport thermischer Energie, Teilchentransport, Impulstransport) • die Plasmazusammensetzung bestimmende Prozesse (z.B. chemische Reaktionen, Anregungs- und Absorptionsprozesse) • eine vollständige Beschreibung kann sehr komplex werden Plasma-Beispiele • Blitze • Kerze im starken elektrischen Feld Plasma-Galaxien • Verhältnis elektrische/gravitative Wechselwirkung: 1021 : 1 • Abkehr vom Gravitationsmodell – Galaxie-Animation: Newton/Einstein – Galaxie-Animation: Plasma/ECE • Video 3 – Plasma-Galaxien - 0:00-4:17 (4:46) Pinch-Effekt • Sternentstehung durch Zusammenziehung von Plasmaströmen (Pinch-Effekt) • Skalierbare Filamente „Pinch“ von Mühlenberg - Eigenes Werk. Lizenziert unter CCBY-SA 4.0 über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pinch.png#/media /File:Pinch.png Birkeland-Ströme • Filamente • verschlungene Schläuche • Anziehung bei großem Abstand • Abstoßung bei kleinem Abstand The complex self-constricting magnetic field lines and current paths in a Birkeland current that may develop in a plasma (Figure 15.3.2, Alfvén and Arrhenius, 1976) Sternentstehung • Birkeland-Ströme und Pinch-Effekt LaPoint: Primer Fields • Plasma zwischen den MagnetSchalen LaPoint: Primer Fields • Plasma zwischen den Schalen • „Bubble in the bubble“ LaPoint: Primer Fields • Supernova: Explosion von Sternen • Nach LaPoint: Einsammlung von Sternen in magn. Schalenstruktur Rotverschiebung Dopplereffekt https://de.wikipedia.org/wiki/Doppler-Effekt • Akustisch Fahrtrichtung • optisch Rotverschiebung Blauverschiebung https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9 /9e/Doppler_effect.svg/2000px-Doppler_effect.svg.png Kosmologische Rotverschiebung • Hubble-Gesetz: Je weiter weg der Stern, desto mehr ist dessen Lichtspektrum rotverschoben • Annahme: Es gibt keine Veränderung des Lichts über Milliarden von Lichtjahren • Folgerung: Das Universum dehnt sich nach allen Seiten aus Halton Arp • Astronom, forschte am Mount Wilson und Mount Palomar Observatorium • Stellte Urknalltheorie und Ausdehnung des Universums infrage • Später Max-Planck-Institut für 1924-2013 Astrophysik, München • 1966: Katalog ungewöhnlicher Galaxien Beobachtung von Halton Arp • Rotverschiebung von Quasaren sehr hoch, passt nicht zu scheinbar umgebenden Galaxien – Erklärung 1: Quasare sind sehr weit weg am Rande des sichtbaren Universums, - haben extrem große Helligkeit (1012 mal Sonne) – Erklärung 2: Hubble-Modell der Rotverschiebung ist falsch - Rotverschiebung kommt durch interstellare Gase zustande - ist kein Entfernungsmaß Quasar bei NGC 4319 • Rotverschiebung differiert um Faktor 10 • Gasbrücke existiert Quasare sind in Galaxien eingebettet • Falschfarbendarstellung von NGC 4319 • Verbindung eindeutig vorhanden • Frequenzbereich? Einsteinkreuz Problem der Interpretation als Gravitationslinseneffekt • Keine ringförmige Abbildung • Helligkeitsänderungen der Quasare unabhängig voneinander Animation Beobobachtungen Elektrische Sterne Sonne • Standardtheorie: Kernreaktion H2  He – Aber nicht erklärbar (Feynman): • • • • Sonnenflecken Körnige Oberfläche Protuberanzen Korona • Video 5 – Sonne - 3:14 – 5:50 • Sterne: positiv geladen (Anode) • Probleme – starker positiver Ladungsüberschuss – wie wird der erhalten? – Woher kommt enorme Energie von außen? Plasmaversums-Modell der Sonne • Ähnlich wie Planeten aufgebaut Marklund-Konvektion wirkt wie Ionen-Pumpe Abkühlung im Inneren, Rekombination von Ionen und Elektronen 20 Mio° Heliopause Planeten 1 Mio ° 10 000° 2500° Double-Layer Vergleich mit Plasma-Entladungsröhre PlasmaBüschel Turbulenzen beschleunigter pos. Ionen Sonnenflecken: Energiefluss quasi-neutral Sonnenflecken • Temperatur niedriger als außen (Photosphäre) • Energiefluß von umgebendem Plasma in die Sonne • Sonne ist Anode in einem galaktischen Entladungsprozess Plasmaentladung bei der Sonne • Ionen werden beschleunigt – (Rätsel für Kosmologen) – Temperatursprung – Doppelschichten werden instabil  Protuberanzen – Bogenentladungen folgen sekundären Magnetfeldern Plasma-Doppelschicht • • • • 2 Bereiche mit unterschiedlicher Ladung wirkt wie Zellwand Begrenzt Plasmahüllen von Sternen Definiert Rand des Sonnensystems Stern-Typen • Herzsprung-Russell-Diagramm „HR-sparse-de“ von User:Sch - derived from Image:HR-sparse.svg by User:Rursus. Text translated to German, some cosmetics applied, position of Sun corrected (spectral class G, not K). Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/F ile:HR-sparse-de.svg#/media/File:HRsparse-de.svg • Teilung von Sternen wegen zu großer elektr. Energie  Mehrfach-Sternsysteme – Problem: Warum bleiben die dann nah beieinander? Planeten • Planetenentstehung im Sonnensystem elektrisch: – Brauner Zwerg in 4 Gasplaneten zerfallen – Felsige Kernburchstücke  Monde und kleinere Planeten – Alternativ: • Pinch-Effekt • Sterne, deren Glühentladung endete • Video 7 – Mars - 3:40-5:21 Einschlagskrater auf Mars • Meteoriteneinschläge: kreisförmige, flache Einschlagkrater • Aber: meiste Einschläge in flachem Winkel • Erklärung: Explosion – Kinetisch oder elektrisch? – Typische Anoden-Oberflächen – Skalierbare Strukturen Massive Einschläge • Langanhaltende Entladungen – Erhebungen wie Vulkankrater (Olympus Mons) – Sekundäreinschläge auf Spitze • Terrassen-Abstufungen – gleichbleibende FilamanentAbstände (mehrfach) Irdische Krater • Krater durch Erosion schwerer zu erkennen • Kraterhäufigkeit geringer wegen reduzierter Blitzintensität (Atmosphäre) Grand Canyon Nordamerika Der Mond • Standarderklärung: – aus Zusammenstoß Erde mit Asteroid • Plasmaversum: – wurde eingefangen – Umlaufbahn elektrisch stabilisiert • Dreikörperproblem: nicht langzeitstabil • Asteroid Ida: hat stabilen Mond, Ida ist aber stark asymmetrisch – Mond-Meere: nur auf erdzugewandter Seite – Plasmalasso: stabile Verbindung mit Erde, keine Eigenrotation – Problem: erfordert sehr große Kraft, Mond hat MulitpolMoment Zusammenfassung • Video 11 – Schlusswort – 0:00–5:25 (3:44) Backup Kosmische Hintergrundstrahlung Kosmische Hintergrundstrahlung • Mikrowellen, die gleichmäßig aus allen Richtungen kommen (2.7 K) • Konventionell: „Echo des Urknalls“ • Plasma-Universum: – Synchrotronstrahlung der Elektronen des interstellaren Plasmas  intergalaktische Hintergrundstrahlung • „das Summen des kosmischen Stromnetzes“ – Verlorene Energie der Rotverschiebung – Isotrop wegen Vielfachstreuung Anisotropie der Hintergrundstrahlung • Monopol • Dipolstrahlung (Sonnensystem) • Milchstraße Karte des anisotropen MikrowellenHintergrunds • Robitaille: genügt keinen wissenschaftlichen Ansprüchen – z.B. extrem niedriges Signal-Rausch-Verhältnis, – Keine Reproduzierbarkeit – Unklar, welche Anteile von anderen Galaxien stammen – Verzerrungen durch heiße galakt. Quellen – Reines „Rauschen“ Rotverschiebung: Raman-Streuung • Schwingung von Molekülen • Anregung von Schwingungen  Raman-Spektren Raman-Streuung in Plasmen Entstehung von Sternen • Plasma-Doppelschicht um geladene Bereich Pulsare • Pulsare – – – – – Rotationsgeschwindigkeit bis 1000/sec Rotationsgeschwindigkeit zu hoch für Stabilität Kompaktheit gefordert  Neutronensterne Aber: kein stabiler Zustand, wenn Verhältnis Neutron/Proton > 1.5 Problem: gilt das auch für makroskopische Materie? • Alternative Erklärung: – Blitzentladungen eines Sterns in Form von Kippschwingungen – Aufladung durch interstellare BirkelandStröme Kometen • Kein Wasser/Eis auf der Oberfläche • 2005 Deep-Impact-Mission – – – – – Kupferprojektil 370 kg auf Komet Temple 1 Kleine Effekte erwartet Thornhill: energiereicherer Aufprall erwartet, Lichtblitz, beides trat ein Eher atomarer Explosion vergleichbar als Einschlag eines Projektils Infrarotspektrum des gesamten Kometen änderte sich • Felsige Asteroiden glühen aufgrund der unterschiedlichen Ladung in Sonnennähe  Schweif • Röntgenstrahlung • Sonneneruptionen bei Annäherung aufgrund elektr. Ww. • Planeten und Sterne können Schweife haben Magnetosphäre • Magnetosphäre  Plasma-Sphäre – Van-Allan-Strahlungsgürtel: Plasmoide – wie auch Saturnringe • Blitzentladungen durch Atmosphäre und Wasser reduziert – nicht auf Venus • Wetterphänomene durch rotierende elektrisch geladene Zylinder (Tornados) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0 /03/Magnetosphere_Levels.svg/330pxMagnetosphere_Levels.svg.png Moderne Naturwissenschaft Erklärung Experiment Theorie Voraussage Experiment Stimmt ? Modifizierte Theorie Ja: verbesserte Theorie Nein: Theorie falsch! Theorie Kosmologie - Newton Sonne, Planet Sonne, Planeten Erklärung Newton Planetenbahnen Voraussage Newton Bahnstörungen Mehrkörper … Präzession Stimmt ? Nein Newton Kosmologie - Einstein Sonnensystem Dunkle Materie Erklärung PlanetenPräzession Voraussage Spiralgalaxien Spiralgalaxien Stimmt ? Beobachtung EinsteinTheorie Modifizierte Gravitation Ja Nein: Einstein richtig! Natur verhält sich falsch!