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!
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