Astrophysikalische Jets im Labor nachgestellt

In der Nähe von Schwarzen Löchern, Quasaren oder Protosternen lassen sich häufig gebündelte Materiestrahlen beobachten, die mitunter mehrere Lichtjahre weit ins All hinausschießen. Ein neues Modell, das erklärt, wie Magnetfelder für die Bildung solcher sogenannten Jets in jungen Sternen sorgen, wurde nun erstmals erfolgreich von einem internationalen Forscherteam im Labor überprüft. Über ihre Experimente berichten sie in der Fachzeitschrift „Science“.

Das Team um Bruno Albertazzi von der École polytechnique in Frankreich bestrahlte eine Probe aus Kunststoff mit einem Laser. Die Elektronen in der Probe gerieten dadurch in Bewegung und das zuvor feste Kunststoffobjekt verwandelte sich zum leitfähigen Plasma. „Man muss sich darunter eine Art heiße Wolke aus Elektronen und Ionen vorstellen, die sich sehr schnell ausbreitet. In kleinem Maßstab repräsentiert das Plasma die Materieansammlung eines jungen Sterns“, erläutert Koautor Thomas Cowan vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Zugleich wurde das Plasma einem sehr starken, gepulsten Magnetfeld ausgesetzt. Die Hypothese der Physiker: Unter Einfluss des Magnetfelds fokussiert sich das normalerweise breit gestreute Plasma und bildet eine Aushöhlung im Inneren. Dies führt schließlich zu einer Stoßwelle, aus der ein sehr dünner Strahl hervorgeht – ein Jet.

Das Experiment wurde so konstruiert, dass es auf die real im Universum anzutreffenden Bedingungen hochgerechnet werden kann. Demnach bildet das im Labor erzeugte Plasma in nur zwanzig Nanosekunden Strukturen aus, wie der Jet eines jungen Sterns in rund sechs Jahren. Auf diese Weise konnte das Modell mit den astronomischen Beobachtungen überprüft werden, die seit einigen Jahren mit Weltraumteleskopen möglich sind. Dabei zeigte sich eine sehr genaue Übereinstimmung der Daten. So kommt es beispielsweise in einem Jet dazu, dass sich Teilchenströme überkreuzen, was zu einer zusätzlichen Erhitzung an den Kreuzungspunkten führt. „Röntgenmessungen von echten Jets zeigen an den gleichen Stellen Auffälligkeiten wie unser maßstabsgetreues Plasmamodell im Labor“, verdeutlicht Cowan.

Damit konnten die Forscher erstmals ein Modell vorlegen, das die Entstehung von Jets allein durch Magnetfelder erklären kann. In vorherigen Ansätzen musste stets auch die Rotation der Materie um den jungen Stern als weiterer Einflussfaktor einbezogen werden. Die Erkenntnis, dass sich ein Plasma derart fokussieren lässt, könnte zudem auch einen praktischen Nutzen für die Medizin haben. So sei es laut Cowan denkbar, dass mithilfe von gepulsten Magnetfeldern ein besonders dünner Protonenstrahl für die Strahlentherapie erzeugt werden könnte.