Das Innere von Sternen und Planeten bleibt der direkten Beobachtung verborgen. Umso wichtiger sind Experimente, mit denen sich die dort ablaufenden physikalischen Prozesse im Labor nachvollziehen lassen. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der University of California in Los Angeles, hat erstmals einen theoretisch vorhergesagten Strömungszustand experimentell nachgewiesen, der als charakteristisch für das Innere schnell rotierender Himmelskörper gilt. An der Studie war auch das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf beteiligt. Die Ergebnisse liefern eine belastbare experimentelle Grundlage, um theoretische Modelle zu den Vorgängen im Inneren dieser Gestirne zu überprüfen.
Im Inneren von Sternen und Planeten wird Wärme durch Konvektion transportiert: Heißes Material steigt auf, kühleres sinkt ab. Dabei entstehen turbulente Strömungen, die unter anderem das Magnetfeld der Erde antreiben und die Dynamik von Sternen prägen. Nach theoretischen Vorhersagen erreichen diese Strömungen unter den Bedingungen schnell rotierender Himmelskörper einen besonderen Zustand.
Hinter diesem Grenzfall, dem diffusivitätsfreien Regime, verbirgt sich ein Zustand, in dem die großräumigen Strömungen nahezu ausschließlich durch Auftrieb und Rotation bestimmt werden. Eigenschaften der Flüssigkeit wie ihre Zähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit treten dagegen weitgehend in den Hintergrund. Viele Modelle für das Innere von Sternen und Planeten beruhen auf der Annahme, dass sich die Konvektion genau in diesem Grenzfall bewegt.
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Doch genau hier lag bislang das Problem: In klassischen Laborexperimenten entstehen an den Wänden der Versuchsgefäße thermische Grenzschichten. Sie beeinflussen die Strömung so stark, dass der gesuchte Zustand bislang verborgen blieb. Deshalb war lange unklar, ob sich die theoretischen Vorhersagen überhaupt experimentell überprüfen lassen.
Den entscheidenden Durchbruch erzielte das internationale Forschungsteam mit einem rotierenden Flüssigmetall-Experiment. Als Versuchsmedium diente flüssiges Gallium. Statt der üblichen stationären Konvektion nutzten die Forschenden einen besonderen schwingenden Strömungsmodus, der ausschließlich in Flüssigmetallen auftritt. Anders als klassische Konvektionsströmungen wird dieser Modus nicht von den thermischen Grenzschichten an den Gefäßwänden bestimmt, sondern vom Temperaturgefälle im Inneren der Flüssigkeit. Dadurch gelang es, jene Bedingungen zu erzeugen, die Modelle seit Langem vorhersagen.
„Mit unserem Experiment konnten wir diesen theoretisch vorhergesagten Zustand erstmals im Labor nachweisen. Damit gewinnen wir deutlich mehr Vertrauen in die Modelle, mit denen wir Prozesse im Inneren von Sternen und Planeten beschreiben“, sagt Jewel Abbate von der UCLA, die diese Forschung im Rahmen ihrer Promotion durchgeführt hat.
Während zweier Forschungsaufenthalte an der UCLA war auch Tobias Vogt vom HZDR-Institut für Fluiddynamik an den Experimenten und Messungen beteiligt. Um den experimentellen Nachweis abzusichern, verglichen die Forschenden drei voneinander unabhängige Kenngrößen mit den theoretischen Vorhersagen: den Wärmetransport, die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperaturschwankungen im Inneren der Flüssigkeit. Alle drei stimmten quantitativ mit den Modellen überein. Hochauflösende numerische Simulationen bestätigten die Ergebnisse zusätzlich.
„Die besondere Stärke unserer Arbeit liegt darin, dass Theorie, Experiment und numerische Simulationen nun quantitativ übereinstimmen. Damit konnten wir experimentell bestätigen, dass die zugrunde liegenden physikalischen Modelle den beobachteten Wärmetransport sehr gut beschreiben. Dadurch können wir solche Modelle nun mit deutlich größerem Vertrauen auch auf das Innere von Planeten und Sternen anwenden“, fasst Vogt zusammen.
Die Ergebnisse schließen eine seit Jahrzehnten bestehende Lücke zwischen Theorie und Experiment. Sie eröffnen neue Möglichkeiten, die Dynamik im Inneren von Sternen und Planeten mit Hilfe von Laborexperimenten zu erforschen – und tragen dazu bei, Modelle dieser für das Universum grundlegenden Prozesse zuverlässiger zu machen. [HZDR / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
- J. A. Abbate, Y. Xu, T. Vogt, et al., Diffusivity-Free Turbulence in Liquid Metal Rotating Rayleigh-Bénard Convection Experiments, Phys. Rev. Lett. 137, 094101, 24. August 2026; DOI: 10.1103/pc8y-j7g8
- Rayleigh-Bénard Konvektion in Flüssigmetallen (Tobias Vogt), Magnetohydrodynamik in Geo- und Astrophysik, Institut für Fluiddynamik, HZDR
