Mischung durch Scherinstabilitäten

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Beobachtungen deuten darauf hin, dass die gängigen Theorien von den inneren Vorgängen in Sternen die Effizienz von Mischungsprozessen unterschätzen. Eine Reihe von Sternen zeigt viel höhere Spuren von schweren Elementen wie Kohlenstoff und Stickstoff auf als vorhergesagt. Diese Elemente werden im Inneren von Sternen produziert, so dass ihr Auftreten an der Oberfläche darauf hinweist, dass sie von einem noch nicht berücksichtigten Mechanismus vom Zentrum des Sterns aufgeschwemmt worden sein müssen. Da diese `Anomalien' besonders auffällig in schnell rotierenden Sternen sind, glaubt man, dass diese Mischungsprozesse mit der Rotation des Sternes zusammenhängen. Der Top-Kandidat für rotationsgetriebenes Mischen ist die sogenannte Scherinstabilität. Sie tritt auf, wenn benachbarte Flüssigkeitsschichten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, und es ist derselbe Mechnismus durch den Wind Wellen erzeugt.

	Abbildung 1: Momentaufnahmen der magnetischen Energie während der 2D Simulation einer magnetisierten Scherströmung. Zu Beginn sind sowohl die Geschwindigkeit als auch das Magnetfeld horizontal ausgerichtet. In der unteren Hälfte der simulierten Box fliesst das Gas nach rechts und in der oberen Hälfte nach links. Das magnetische Feld folgt mehr oder weniger dem Gas. Man kann sehen, dass anfänglich die Strömung leicht schlängelt bevor sich ein grosser Wirbel bildet, der dann allmählich zerfällt.

Am Max-Planck-Institut für Astrophysik, führen M. Brüggen and W. Hillebrandt eine ausgiebige Studie dazu durch, wie die Effizienz des Mischens mit der Geschwindigkeitsdifferenz zwischen benachbarten Flüssigkeitsschichten variiert. Zu diesem Zweck führten sie dreidimensional Computersimulationen duch und ma{\ss}en die Mischung der Flüssigkeitspartikel. Sie fanden heraus, dass die Mischungseffizienz sehr unterschiedlich ist von dem, was bis jetzt angenommen wurde.

	Abbildung 2: So wie Abbildung 1 nur für ein stärkeres magnetisches Feld. Man kann sehen, dass das magnetische Feld die Bildung eines grossen Wirbels verhindert und die Mischung von Gas aktiv unterdrückt.

Zusätzlich untersuchten sie, wie ein magnetisches Feld die Mischungseffizienz und die Morphologie der Scherinstabilität beeinflussen kann. Dies ist von beachtlichem astrophysikalischen Interesse, da man im Inneren von Sternen starke magnetische Felder vermutet. Die magnetischen Felder wurden in die Computersimulationen einbezogen, die eine der ersten ihrer Art sind und nur mit neuen Fortschritten der Computertechnologie möglich wurden. Erneut waren die Ergebnisse teilweise unerwartet: Abhängig von seiner Stärke kann das magnetische Feld das Mischen sowohl verstärken als auch unterdrücken.
Vielleicht tragen diese Ergebnisse dazu bei, einige der Mysterien, die rotierende Sterne umgeben, zu lösen.

	Abbildung 3: Visualisierung der magnetischen Energie in einer 3D Simulation (gleiche Anfangsbedingungen wie in Abb.1). Wieder zeigen die verschiedenen Teilabbildungen das Magnetfeld zu unterschiedlichen Zeiten. Man kann beobachten, wie das Magnetfeld in separate horizontale Flussröhren aufbricht, die von dem grossen Wirbel auseinandergerissen werden.

Marcus Brüggen, Wolfgang Hillebrandt


Weitere Informationen:

• Mixing through shear instabilities,
  M. Brüggen and W. Hillebrandt, 2000, submitted to Mon. Not. R. Astron. Soc. (Preprint MPA 1307e)
  
  
• 3D simulations of shear instabilities in magnetized flows,
  M. Brüggen and W. Hillebrandt, 2000, submitted to Mon. Not. R. Astron. Soc. (Preprint MPA 1308e)