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MOLEKÜLWOLKEN
Strukturen in turbulenten Gaswolken sichtbar machen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Köln
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2. Juni 2021

Forschenden des deutsch-französischen Kooperationsprogramms GENESIS ist es gelungen, die komplexe Struktur des turbulenten interstellaren Mediums mit einer neuen mathematischen Methode zu beschreiben. Das ist deswegen spannend, weil sich in solchen Gaswolken neue Sterne bilden können - sobald das Gas einmal zur Ruhe gekommen ist.

Musca

Die Musca-Molekülwolke in einer Flussdichte-Karte, die mit dem Infrarotteleskop Herschel bei 250 μm gewonnen wurde. Bild: Yahia et al. (2021) AA 649, A33  [Großansicht]

In interstellaren Staubwolken müssen Turbulenzen erst zur Ruhe kommen, bevor sich durch die Einwirkung von Gravitation ein Stern bilden kann. Ein deutsch-französisches Forschungsteam hat nun herausgefunden, dass die Bewegungsenergie der Turbulenzen auf in kosmischen Maßstäben sehr kleinem Raum von einem bis zu mehreren Lichtjahren Ausdehnung umgewandelt wird.

Auch in der mathematischen Methode kam die Gruppe zu neuen Ergebnissen: Bisher wurde die turbulente Struktur des interstellaren Mediums als selbstähnlich – oder fraktal – beschrieben. Die Forscherinnen und Forscher fanden nun aber heraus, dass es es nicht reicht, die Struktur mathematisch als einzelnes Fraktal zu beschreiben, also als eine selbstähnliche Struktur, wie man sie aus der Mandelbrotmenge kennt. Stattdessen zog das Team mehrere unterschiedliche Fraktale, sogenannte Multifraktale, hinzu. Mit den neuen Methoden kann man so in astronomischen Bildern Strukturänderungen detailliert auflösen und darstellen. Eine Anwendung in anderen wissenschaftlichen Bereichen wie der Atmosphärenforschung ist ebenfalls möglich.

Das deutsch-französische Programm GENESIS (Generierung von Strukturen im interstellaren Medium) ist eine Kooperation zwischen dem Institut für Astrophysik der Universität zu Köln, dem LAB der Universität Bordeaux und dem Geostat/INRIA Institut Bordeaux. In einer jetzt veröffentlichten Studie werden die neuen mathematischen Methoden vorgestellt, um Turbulenz zu charakterisieren und am Beispiel der Musca-Molekülwolke im Sternbild Fliege angewandt.

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Sterne bilden sich in riesigen interstellaren Wolken, die hauptsächlich aus molekularem Wasserstoff - das Energiereservoir jeden Sternes - bestehen. Dieses Material hat zwar eine geringe Dichte, nur einige tausend bis mehrere zehntausend Teilchen pro Kubikzentimeter, aber eine sehr komplexe Struktur mit Verdichtungen in Form von 'Klumpen' und 'Filamenten', und schließlich 'Kernen', aus denen sich durch Gravitationskollaps der Materie Sterne bilden.

Die räumliche Struktur des Gases in den Wolken und in deren Umgebung wird durch viele physikalische Prozesse bestimmt, von denen einer der wichtigsten die interstellare Turbulenz ist. Diese entsteht, wenn Energie von hohen Größenordnungen, z. B. galaktische Dichtewellen oder Supernova-Explosionen, auf kleinere Größenordnungen übertragen wird. Turbulenz ist von Strömungen bekannt, in denen eine Flüssigkeit oder ein Gas 'durchgerührt' wird, aber auch Wirbel bilden kann und kurzzeitige Phasen chaotischen Verhaltens zeigt, die sogenannte Intermittenz.

Damit sich ein Stern bilden kann, muss das Gas aber zur Ruhe kommen, d. h. die Bewegungsenergie muss sich auf kleinere Größenordnungen zerstreuen, was als Dissipation bezeichnet wird. Danach kann die Gravitation genug Kraft entfalten, um die Wasserstoffwolken zusammenzuziehen um Sterne zu bilden. Es ist also wichtig, die Energiekaskade und die damit verbundene Strukturänderung zu verstehen und mathematisch zu beschreiben.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen ist.

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siehe auch
SOFIA: Junge Sonne lässt neue Sterne entstehen - 14. April 2021
Herschel: Die verborgene Seite der Sternentstehung - 6. Mai 2010
Links im WWW
Yahia, H. et al. (2021): Description of turbulent dynamics in the interstellar medium: multifractal-microcanonical analysis, A&A, 649, A33
Universität zu Köln
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