Kollisionsbarriere: Physiker lösen Rätsel um Beginn der Planetenbildung

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Glaspartikel kollidieren unter Mikrogravitation und haften durch die dabei entstehende elektrische Aufladung aneinander. Copyright/Quelle: Gerhard Wurm, Tobias Steinpilz, Jens Teiser and Felix Jungmann / Universität Duisburg-Essen

Glaspartikel kollidieren unter Mikrogravitation und haften durch die dabei entstehende elektrische Aufladung aneinander.
Copyright/Quelle: G. Wurm, T. Steinpilz, J. Teiser, F. Jungmann / Universität Duisburg-Essen

Duisburg-Essen (Deutschland) – Im Innern rotierender Gas- und Staubscheiben um junge Sterne beginnt die Planetenentstehung durch den Zusammenstoß kleinster Staubpartikel, die auf diese Weise nach und nach zu riesigen Gesteinsbrocken anwachsen. Tatsächlich war jedoch bislang unklar, wie das funktionieren kann – da die Teilchen, wenn sie ein Millimeter und größer sind, eigentlich voneinander abprallen sollten. Physiker scheinen das Rätsel nun gelöst zu haben, zeigen sie doch in Experimenten, dass die kollidierenden Staubkörner sich elektrisch aufladen und deswegen aneinander haften.

Wie das Team um den Astro-Physiker Prof. Gerhard Wurm von der Universität Duisburg-Essen (UDE) aktuell im Fachjournal „Nature Physics“ (DOI: 10.1038/s41567-019-0728-9) berichtet, verhält es sich bei den Teilchen zunächst ähnlich wie mit Mehl und Sand, die gegen eine Wand geworfen werden: „Mehl bleibt an der Wand hängen, Sand nicht.“ Auf diese Weise erklärt der Physiker die sogenannte Kollisionsbarriere von Teilchen (Bouncing Barrier) in einem alltagsnahen Beispiel, wie sie in der Planetenentstehung die Wissenschaft schon seit Jahrzehnten umtreibt. „Unbestritten ist, dass die Staubkörner, die in der protoplanetaren Scheibe zusammenstoßen, niemals direkt zu Aggregaten wachsen können, die größer als ein Millimeter sind. Dennoch kann hieraus in Millionen von Jahren ein Planet mit einem Ausmaß von 10.000 km werden.“

Die Idee der UDE-Physiker zur Beantwortung dieses Problems: Elektrische Ladung könnte den Teilchen Haftung verleihen: „Dadurch, dass die Staubaggregate immer wieder kollidieren, laden sie sich verschiedentlich auf und ziehen sich dann gegenseitig an.“

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Dass dies tatsächlich möglich ist, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler systematisch in zahlreichen Einzelexperimenten u.a. im Fallturm in Bremen untersucht. Die Partikelwolke selbst wurde dabei durch millimetergroße Glaskugeln simuliert, die dann miteinander zur Kollision gebracht wurden. Die Ergebnisse dieser Experimente bestätigten dann die Vermutung der Forscher: „Die Kugeln haben sich positiv und negativ aufgeladen und bei den kleinen Geschwindigkeiten auch so stark, dass sie um mehrere Zentimeter gewachsen sind.“

Hintergrund
Zuvor schon hatten Studierenden der Universität im Rahmen der Untersuchungen die Kollisionen und Aufladungspotentiale der Kügelchen auch im „Arise“-Experiment untersucht und analysierten hierfür die Zusammenstöße der Glaskugeln an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) auch unter Schwerelosigkeit (…GreWi berichtete).

Um sich nicht nur auf die Experimente verlassen zu müssen, überprüften die Forscher der Arbeitsgruppe von Professor Dietrich Wolf ihre Beobachtungen auch durch Simulationen. Nach fast zwei Jahren Forschung steht für die UDE-Physiker nun fest: „Beweis erbracht – Elektrische Ladung überwindet die Kollisionsbarriere!“

Künstlerische Darstellung der protoplanetaren Staub- und Trümmerscheibe um einen jungen Stern (Illu.). Copyright: NASA/JPL-Caltech

Künstlerische Darstellung der protoplanetaren Staub- und Trümmerscheibe um einen jungen Stern (Illu.). Copyright: NASA/JPL-Caltech

Die Wissenschaftler sind sich sicher, auf diese Weise eine wichtige Lücke in den Fragen rund um die Planetenentstehung geschlossen zu haben. „Noch sind aber viele Fragen offen, etwa wie groß die Aggregate am Ende werden können oder welche Rolle die Mineralzusammensetzung und die verschiedenen Temperaturen in den Gas- und Staubscheiben dabei spielen“, so Wurm abschließend.

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Quelle: Universität Duisburg-Essen

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